Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
10 в мяч, раскручивая на шнурке груз или швыряя камешки в спокойный пруд. Но все эти явления можно понять, опираясь на ньютоновы законы, которые очень точно описывают поведение тел достаточно больших и движений достаточно медленных, чтобы их мог заметить наш глаз. Новые и характерные особенности квантовой механики явственно проступают лишь в условиях тонкого лабораторного эксперимента. Однако именно квантовые законы, объясняющие такие эксперименты, дают полную и обоснованную картину действия столь важных приборов, как транзистор, мазер и лазер, а кроме того, и объяснение многих проблем, с других позиций неразрешимых.
Почти каждый что-то слышал о квантовой механике, и всякий раз при упоминании о ней возникают многочисленные вопросы. Действительно ли квантовая механика непомерно трудна в сравнении с ньютоновой классической механикой или максвелловой электромагнитной теорией? Здесь я привел бы замечания двух моих друзей. Один сказал, что не так уж много надо квантовой механики, чтобы вполне удовлетворительно решать задачи, связанные с мазерами и лазерами. Другой — что кван-товомеханическое решение самой простой задачи (скажем, описание распространения синусоидальной электромагнитной волны вдоль линии ^передачи, не свободной от потерь) может оказаться потрясающе трудным. Оба они совершенно правы.
Я не знаю, как сформулировать такой вариант квантовой механики, чтобы математические соотношения были такими же простыми, наглядными и доходчивыми, как законы Ньютона или уравнения Максвелла. Может быть, виной тому мое невежество. А может быть, такова стадия развития и понимания квантовой механики. Или, наконец, не исключено, что ей внутренне присуща сложность в том смысле, что она требует математической подготовки, которая в наши дни не общепринята и нелегко дается.
Часто по поводу квантовой механики задается вопрос: остается ли она в пределах разумного? Или все же как-то посягает на обычный опыт и здравый смысл? Если читатель не успел еще сам возразить против второй возможности, я поспешу с ответом. Мне этот вопрос кажется столь же естественным, сколь и неправильным. Безусловно, квантовая механика не посягает на опыт; она пол-
11 ностью согласуется с ним. Но некоторые квантовомеха-нические явления не подтверждают тех поверхностных суждений, которые основаны на опыте, приобретенном вне научной лаборатории*
Эта проблема — связи обычного житейского опыта с миром молекул и атомов — заслуживает общей дискуссии. Каждый из нас, должно быть, задумывался над вопросом, каким показался бы наш мир великану или жителю сказочной Лилипутии. Изобретение микроскопа открыло перед человеком возможность наблюдать недоступный ему прежде мир крохотных вещей, дав сильный стимул его любознательности. Чудеса микроскопии вдохновили Фитц-Джеймса О'Брайена, писателя с богатым воображением, жившего в XIX веке, на размышления о том, что увидел бы наблюдатель, вооруженный прибором гораздо более мощным, чем все построенные в то время микроскопы. Герой его истории, которая называлась «Алмазное стекло», увидел в молекуле воды прекрасную крошечную девушку.
Можем ли мы избрать такой путь в своем стремлении глубже изучить и понять природу? Разве что в воображении. Да и то лишь в фантазиях тех, кто не знает законов природы. Ведь нам хорошо известно, что видеть можно только те детали структуры вещества, размеры которых велики по сравнению с длиной волны света, в котором мы их рассматриваем. Более того, по мере уменьшения апертуры оптической системы (диаметра объектива микроскопа или зрачка человеческого глаза) в сравнении с длиной волны света падает и четкость изображения, которое дает эта система. Например, если бы лилипут, читающий книгу, вдруг стал уменьшаться вместе с ней, то рано или поздно наступил бы момент, когда он все равно не смог бы рассмотреть текста, не говоря уже о том, что на определенном этапе он не понял бы смысла текста, даже сумев прочесть его: в микроскопической черепной коробке просто не хватило бы места для того количества нервных клеток, которое нужно, чтобы воспроизвести крайне сложную (и лишь благодаря этому достигшую такого уровня развития, что появилась письменность) нервную организацию человека.
В мире привычных нам масштабов мы пользуемся зрением, слухом, осязанием. С помощью амперметра и вольтметра мы измеряем электрические токи и напряже-
12 ния, с помощью электроскопа— величины зарядов, магнитометра (гауссметра) —напряженности магнитного поля, пружинного динамометра (силомера)—силы. Но мы не можем уменьшиться в размере или уменьшить свои измерительные приборы или органы чувств, чтобы исследовать самые тонкие детали строения вещества, например структуру электрона или свойства электрического и магнитного полей в предельно малых масштабах.
Ребенок спросил бы об электроне, блестящий он или матовый. Блестящие предметы блестят потому, что неровности их поверхности малы в сравнении с длинами волн падающего на них света. У матовых предметов эти неровности достаточно 'велики в сравнении с длинами волн и поэтому рассеивают падающий на них свет. Я думаю, об электроне можно было бы сказать, что он «блестящий», но совсем не в том смысле, который вкладывает в это понятие ребенок. Каков электрон на вкус — но на какой язык мы можем попробовать его? Мягкий он или твердый — но каким пальцем можно его пощупать? А ведь ребенок, особенно ребенок «с характером», мог бы упорно требовать ответа на вопросы такого рода.
