Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

Волны и частицы: главная тайна квантовой механики — Чэд Орзел

Переводчик: Alex Delizonas Редактор: Péter Pallós

One of the most amazing facts in physics is this:

Одно из самых поразительных явлений в физике состоит в том,

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

что всё во Вселенной, от света до атомов и электронов,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

обладает одновременно свойствами как частицы, так и волны́.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Все остальные фокусы, о которых вы слышали в квантовой физике:

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

кот Шрёдингера, играющий в кости Бог, дальнодействие и близкодействие, —

all of it follows directly from the fact

всё это основывается на том факте,

that everything has both particle and wave nature.

что всё в природе является как частицей, так и волной.

This might sound crazy.

Звучит довольно странно.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

Оглядевшись вокруг, вы видите волны на воде, а частицы в камне,

and they're nothing alike.

и у них нет ничего общего.

So why would you think to combine them?

Кому может прийти в голову их совместить?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

Но физики не просто так решили перемешать эти два понятия.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Скорее, они пытались понять двойственную природу Вселенной,

through a process of small steps,

собирая шаг за шагом

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

всё больше и больше свидетельств, как кусочки большого пазла.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

Первым человеком, всерьёз предложившим двойственную природу света,

was Albert Einstein in 1905,

был Альберт Эйнштейн в 1905 году,

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

но и он взял идею у Макса Планка.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Планк хотел объяснить цвета света, излучаемого горячими объектами,

like the filament in a light bulb,

например, нитью накаливания в лампочке,

but to do it, he needed a desperate trick:

но для этого он прибег к отчаянной гипотезе.

he said the object was made up of oscillators

Он предложил, что объекты обладают осцилляторами,

that could only emit light in discrete chunks,

которые излучают свет лишь дискретными порциями,

units of energy that depend on the frequency of the light.

то есть порциями энергии, зависящими от световой частоты́.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Планк никогда не был доволен этой идеей, но Эйнштейн решил с ней поработать.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Он применил эту идею к самому свету,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

сказав, что свет — это не просто всем известная волна, а поток фотонов,

each with a discrete amount of energy.

каждый с дискретным набором значений энергии.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

Сам он считал, что это его единственная по-настоящему революционная идея,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

но она объясняла, как свет выбивает свободные электроны у металлов.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

Даже его противники вынуждены были признать, что всё сходится.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

Следующий кусочек пазла нашёл Эрнест Резерфорд, учёный из Англии.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

В 1909 году Эрнст Марсден и Ханс Гейгер, двое его сотрудников,

shot alpha particles at gold atoms

выстреливали альфа-частицы в атомы золота

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

и были поражены тем, что некоторые частицы отскакивали назад.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Это доказывало, что бóльшая масса атома сконцентрирована в его ядре.

The cartoon atom you learn in grade school,

Игрушечная модель атома, знакомая вам со школы, —

with electrons orbiting like a miniature solar system,

электроны, летающие вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, —

that's Rutherford's.

это и есть модель Резерфорда.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

У этой модели есть лишь одна маленькая проблема — она не может работать.

Classical physics tells us that an electron

Классическая физика учит нас, что электрон

whipping around in a circle emits light,

летает вокруг ядра и излучает свет,

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

который мы широко используем, например, в радиоволнах и рентгене.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

Но по Резерфорду, атомы должны излучать рентгеновские лучи во все стороны

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

за мгновение до того, как вращающийся по спирали электрон ударится об ядро.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

Однако Нильс Бор, датский физик–теоретик и коллега Резерфорда,

pointed out that atoms obviously exist,

отметил, что атомы очевидно существуют

so maybe the rules of physics needed to change.

и, возможно, стóит пересмотреть законы физики.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Бор предложил идею о том, что на определённых орбитах

doesn't emit any light at all.

электроны вовсе не излучают света.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Атом излучает свет только тогда, когда электроны меняют орбиты,

and the frequency of the light depends on the energy difference

а частота света зависит от разницы в энергии,

in just the way Planck and Einstein introduced.

как и предполагали Планк и Эйнштейн.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

Модель Бора решила проблему Резерфорда

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

и объяснила, почему атомы излучают те или иные цвета спектра.

Each element has its own special orbits,

Каждый элемент имеет свою особую орбиту

and thus its own unique set of frequencies.

и потому свой особый набор частот.

The Bohr model has one tiny problem:

Модель Бора имеет лишь один недостаток:

there's no reason for those orbits to be special.

нет никакой нужды в том, что бы орбиты были особенные.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Но Луи де Бройль, французкий аспирант кафедры физики,

brought everything full circle.

расставил всё по своим местам.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Он отметил, что если свет, который принято считать волной,

behaves like a particle,

иногда ведёт себя как частица,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

то, может быть, и электрон, который все считают частицей,

behaves like a wave.

ведёт себя как волна.

And if electrons are waves,

А если электрон — это волна,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

то легко объяснить правило Бора об особенных орбитах электронов.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Раз существует идея о том, что электрон ведёт себя как волна,

you can go look for it.

её можно пойти и проверить.

And within a few years, scientists in the US and UK

Уже через несколько лет учёные США и Великобритании

had observed wave behavior from electrons.

наблюдали электроны, которые вели себя как волны.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Нам известен один потрясающий эксперимент тех дней:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

пушка выстреливала электроны в стену через барьер, в котором были две щели.

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

В момент полёта положение каждого электрона было тщательно зафиксировано,

like a particle.

и он вёл себя как частица.

But when you repeat the experiment many times,

Однако при многократном повторении эксперимента

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

все эти отдельные электроны оставляют явные полосы,

characteristic of wave behavior.

характерные для волн.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

Идея о том, что частицы ведут себя как волны, и наоборот, —

is one of the strangest and most powerful in physics.

одна из самых странных в физике, но и самая потрясающая.

Richard Feynman famously said

Ричард Фейнман однажды сказал,

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

что она приоткрывает главную тайну квантовой механики.

Everything else follows from this,

Всё остальное уже следует из этого

like pieces of a puzzle falling into place.

как кусочки пазла, встающие на свои места.