Своеобразие квантового мира настолько невероятно, что идея его существования благодаря нам кажется почти разумной.
Как мы можем понять квантовую реальность?
«Я верю во внешнюю физическую реальность за моим собственным опытом, – говорит Йоханн Кофлер из Института квантовой оптики общества Макса Планка г. Гархинга (Германия). – Мир там без меня, и был там до меня, и будет там после меня».
Учитывая то, что мы знаем о квантовой физике, это кажется смелым утверждением. Нападок, которые эта самая фундаментальная теория реальности совершает на нашу интуицию, множество. Для Эфраима Штейнберга из Университета Торонто (Канада) работа с такими беспокоящими концепциями – что-то вроде переобучения мозга. «Сколько мы говорим о “контринтуитивности” квантовой механики, столько же мы подразумеваем, что она противоречит той интуиции, которой мы обладали до того, как изучали квантовую механику», – говорит он. В конце концов, мы тоже не очень хорошо разбираемся в прогнозирующих элементах классической реальности: сколько из нас искренне сказали бы, что перья и кирпичи падают с одинаковым ускорением под действием тяжести?
В квантовой физике, однако, не помогает тот смутный факт, что величины, используемые для описания объектов, существуют лишь математически. Визуализация волновой функции как реального объекта хороша для одиночной частицы, но все очень быстро усложняется. «Как только вы говорите о нескольких частицах, волновая функция живет в некотором пространстве с большим числом измерений, которое я понятия не имею как визуализировать, – говорит Штейнберг. Ему приходится разбивать сложную квантовую систему на части. – Но они являются всего лишь способами отказа от абстрактного математического объекта, предоставляющего, как я знаю, полное описание».
Однако если на более фундаментальном уровне мы полностью доверяем квантовой физике, то должны отказаться по крайней мере от одного из двух наиболее важных принципов классического мира. Один из них – реализм, идея, согласно которой каждый объект обладает свойствами, существующими без наших измерений. Другой – это принцип локальности, утверждающий, что ничто во Вселенной не может влиять на что-то другое мгновенно, то есть быстрее скорости света.
Для большинства квантовых физиков, с учетом всех свидетельств того, что космический предел скорости никогда не преодолевается, это будет реализм.
4. Практическая магия
Может показаться, что со всеми своими странными свойствами квантовая механика не имеет почти никакого отношения к повседневной жизни, но на самом деле все наоборот. Практические применения квантовой теории преобразили мир. Почти все современные гаджеты – компьютеры, мобильные телефоны, игровые консоли, машины – содержат микросхемы памяти, основанные на транзисторе, принцип работы которого опирается на квантовую механику полупроводников. Лазеры, имеющие широкое применение в хранении данных, печати, коммуникациях и производстве, также основаны на квантовых свойствах.
Транзисторы: история «дырок»
Вы окружены транзисторами. Они в ваших компьютерах, в ваших телефонах и в ваших бытовых приборах. Около 3 секстиллионов транзисторов (то есть 3x1021) было изготовлено с того момента, как технология впервые была разработана в 1947 году, – это 428 миллиардов на каждого человека на Земле.
Транзистор, по сути, является куском полупроводникового материала, находящимся между двумя электродами и действующим как выключатель. Последующий электрод дает импульс напряжения, «включая» этот выключатель и позволяя току проходить через транзистор. Транзисторы используются не только для усиления электрических сигналов, например радиоволн, перехваченных антенной, но и как электронные переключатели. Сети из этих переключателей могут образовывать логические цепи, контролирующие электронные приборы или управляющие информацией в вашем компьютере.
В конечном счете работа транзистора определяется управлением переходов электронов между разными энергетическими уровнями в атомах полупроводниковых материалов. На фундаментальном уровне этот процесс основан на поведении квантового характера.
Сегодня разрабатываются новые типы квантовых транзисторов. В 2015 году, например, исследователи продемонстрировали, что два кремниевых транзистора, действующих как квантовые биты, могут осуществлять небольшие вычисления.
Открытие транзисторов
Транзисторы, гудящие сегодня в процессорах компьютеров, зависят от свойств странного гибридного материала, известного как полупроводник. Находясь на краю между электрической проводимостью и изолированием, полупроводники иногда позволяют токам проходить, а иногда решительно их блокируют.
К началу XX века некоторые аспекты этой «двойственной личности» были детально зафиксированы. Например, стало известно, что полупроводник галенит, или сульфид свинца, при некоторых условиях образовывает с металлом переход, через который ток проходит только в одном направлении. Благодаря этому некоторое время его широко использовали в первых беспроводных приемниках, преобразующих колеблющиеся радиосигналы в устойчивый постоянный ток. Однако это был трудоемкий и временами приводящий в ярость процесс, что являлось симптомом всех полупроводниковых провалов. Казалось, что их свойствам не было логических объяснений; небольшое изменение температуры или состава материала могло перевести их из проводников в изоляторы и наоборот. Укрощение их капризов было заманчивой перспективой, позволяющей сделать надежные, воспроизводимые электрические выключатели, но никто не понимал, как этого добиться.
Таким образом, в радиоприемниках, телефонных и телеграфных системах 20-х и 30-х годов XX века безраздельно господствовали вакуумные трубки, несмотря на громоздкость, большой риск поломки и высокое энергопотребление. Однако семена их упадка и окончательного триумфа полупроводников уже были посеяны.
В 1928 году Рудольф Пайерлс, молодой еврей, родившийся в Берлине, был студентом и работал в Лейпциге (Германия) под руководством Вернера Гейзенберга, великого пионера квантовой физики. Повороты судьбы впоследствии приведут его к званию одного из самых уважаемых физиков Великобритании и сделают противником наставника Пайерлса в гонке за «рецептом» первой атомной бомбы. В то время, однако, его занимал куда более скучный вопрос: почему электрические токи в некоторых металлах отклоняются в неправильном направлении при столкновении с магнитным полем?
Отсутствие электронов
Для Пайерлса ответ был очевидным. «Дело в том, что вы не можете понять твердые тела без использования квантовой теории», – напомнил он в интервью 1977 года. Пайерлс показал, что, как и в квантовой теории, – где электроны, обращающиеся вокруг ядра, не могут иметь просто любое значение энергии, а ограничены набором отдельных энергетических состояний, – внутри твердого кристалла электроны вставлены в «полосы» разрешенных энергетических состояний. Если одна из этих полос имеет лишь несколько занятых состояний, электроны обладают большей свободой движения, и в результате получается знакомый электрический ток. Но если у полосы занята бóльшая часть состояний, движение электрона ограничено редкими прыжками в соседнюю пустую щель. Когда большинство электронов находится в покое, создается впечатление, что движутся эти незанятые состояния: подвижные «отсутствия электронов» действуют для всех как положительные заряды – и двигаются в неправильном направлении в магнитном поле.
