Все современные электронные устройства основаны на понимании квантовой механики. Эволюция от первых вакуумных ламп, с которыми мы столкнулись в начале книги, до транзисторов и микросхем, которые есть во всех современных телефонах, компьютерах, автомобилях и бытовой технике, завязана на квантовых эффектах. В частности, на том, что волноподобные электроны в кремнии могут принимать только определенные значения энергии, поэтому создают «энергетические уровни» – подобно электронам вокруг атома, – однако при объединении множества атомов в кристаллообразную структуру допустимые уровни энергии меняются[88]. Поскольку теперь мы понимаем физику этого процесса, мы можем очень точно управлять свойствами кремния, используя методы, с которыми познакомимся позже в этой книге.

Квантово-механическая природа света и материи также позволила нам создать лазеры, атомные часы (которые имеют решающее значение для наших навигационных систем GPS) и многие другие технологии, на которые мы полагаемся каждый день. Мы бы не узнали наш сегодняшний мир без применения этой теории.

Наши будущие технологии, вероятно, будут почти полностью основаны на квантовой механике. Квантовые вычисления становятся все полезнее, поэтому на физическом факультете Мельбурнского университета также установлен большой электронный микроскоп. Он используется для съемки тонких слоев алмаза на кремнии, в которые физики осторожно внедряют ионы гелия в процессе, называемом легированием. Физики используют эти методы для создания квантовых устройств, которые могут применяться в качестве основы для квантовых компьютеров. Электронный микроскоп – технология, появившаяся на заре нашего понимания квантовой механики, – используется для создания следующего поколения квантовых технологий, продолжая цикл обратной связи между исследованиями и технологиями.

Проблемы классической физики в конечном итоге привели к совершенно новому описанию природы в малых масштабах – квантовой механике. В разгар всего этого Роберт Милликен и его команда провели 12 разочаровывающих лет в лаборатории, совершенствуя свое мастерство, чтобы собрать эту первую важную информацию о деталях фотоэлектрического эффекта, показав, что безрассудная теория Эйнштейна оказалась правильной. Милликен не изобрел квантовую механику, но его эксперименты были важны для установления того, что квантово-механические теории действительно отражают реальность природы. Вот как прогрессирует знание. Не бывает внезапного момента вдохновения, но мы все равно пробираемся вперед в темноте, часто подолгу выискивая детали. В конце концов, все встает на свои места, и в нашем сознании начинает формироваться новый образ окружающего мира.

Сегодня мы празднуем квантовую механику как теоретический и концептуальный триумф, и это, несомненно, верно, но без экспериментов мы никогда бы не узнали, что квантовая механика на самом деле описывает поведение нашего мира. Мы бы никогда не смогли использовать ее – в практическом смысле – так, как мы это делаем сейчас. Из этих подробных и сложных экспериментов выросло наше понимание субатомного мира. Эти знания сыграли большую роль в создании электронных устройств, компьютеров, солнечных панелей и приборов, способных отображать объекты в масштабах, недоступных оптическим микроскопам, – и все это основано на странных последствиях того, что субатомный мир ведет себя не в соответствии с классической физикой.

Мы проследили, как несколько экспериментов развенчали классическую физику, опровергли идею атома как мельчайшей частицы материи и привели к совершенно новому взгляду на физику, в котором атомы, состоящие в основном из пустого пространства, могут изменяться со временем, свет может вести себя как частица, а частицы могут вести себя как волны. Рентгеновское излучение и электрон, радиоактивность и атомное ядро, а теперь и квантовая механика навсегда изменили наш мир. Но в запасе остались и другие неожиданности. Последние несколько глав мы изучали глубины материи, но пришло время поднять глаза. Обратим внимание на сюрпризы природы, которые буквально посыпались на ученых сверху.

Часть II

Материя за пределами атомов

Пока жажда познания остается неутолимой благодаря безмерности непознанного, деятельность сама оставляет после себя растущее сокровище знания, которое каждая цивилизация удерживает и накапливает как неотъемлемую часть своего мира[89].

Ханна Арендт. Жизнь ума, 1973

Глава 4

Облачные камеры: космические лучи и ливни новых частиц

На горе Голливуд, за известным знаком, возвышается величественное белокаменное здание, из которого открывается вид на Лос-Анджелес. Это не особняк, а общественный музей: обсерватория Гриффита. Здесь посетители смотрят шоу в планетарии и рассматривают ночное небо в телескопы, исследуя свое место в космосе. Внутри, среди прохладного темного мрамора, находится серия экспонатов, один из которых – расположенный в квадратной коробке из плексигласа – содержит ключ к следующему шагу в нашем путешествии. Он неприметен, несколько затенен кусками метеорита, лунными камнями и огромным изображением ночного неба. Но любопытные посетители вознаграждаются завораживающим зрелищем: на черном фоне время от времени образуются крошечные следы конденсата, их около 20 каждую секунду. Они появляются внезапно, грациозно опускаются на полсекунды, а затем исчезают.

Устройство представляет собой облачную камеру[90], один из первых детекторов частиц, который позволяет людям видеть частицы, пролетающие мимо за стомиллионную долю секунды. Внутри остаются видимые следы, короткие треки, толщиной с карандаш, образованные альфа-частицами (ядрами гелия), и тонкие, легкие, похожие на паутину дорожки – в основном электроны (бета-лучи) или гамма-лучи. Они меньше атомов, объекты, которые мы не можем увидеть, потрогать или иным образом обнаружить нашими органами чувств. Но вот устройство, которое позволяет нам их видеть. Хотя мы не можем воспринимать эти частицы непосредственно – они слишком малы для этого, – благодаря облачным камерам мы можем увидеть эффект, который они оставляют после себя.

Эта версия камеры в обсерватории Гриффита называется диффузионной камерой, она была разработана в 1936 году американским физиком Александром Лангсдорфом – усовершенствованная облачная камера на основе оригинального изобретения начала 1900-х годов. Ее идея проста, но она изменила наше понимание фундаментальных составляющих природы. Вверху герметичной камеры собираются пары спирта, а затем опускаются на холодную металлическую пластину внизу. Падая и охлаждаясь, пар переходит в состояние, называемое перенасыщением, при котором любое малейшее возмущение приведет к образованию капель. Проносясь сквозь пар, заряженные частицы ионизируют его, оставляя достаточно энергии, чтобы образовать крошечную полоску облака, похожую на белый инверсионный след, который оставляет за собой реактивный самолет.

В этой главе мы проследим за историей облачной камеры – от ее скромного начала до расцвета в начале 1930-х годов, когда она способствовала ряду замечательных открытий, включая совершенно неожиданные новые частицы, которые изменили наш взгляд на материю. Новые частицы, которые даже не входят в атомы. Мы увидим, как этот новый детектор вывел экспериментаторов за пределы их подвалов и повел в горы открывать новые перспективы, подгоняя теоретиков и заставляя их мчаться наверстывать упущенное.