Содержание
Десять самых странных опытов в истории науки
История естествознания полна экспериментов, заслуживающих названия странных. Описанная ниже десятка выбрана целиком на вкус автора, с которым можно не соглашаться. Одни из опытов, попавших в эту подборку, закончились ничем. Другие привели к появлению новых отраслей науки. Есть эксперименты, начатые много лет назад, но не оконченные до сих пор.
Так выглядит в наше время полустанок, мимо которого ездила платформа с трубачами, проверяя принцип Доплера.
Доналд Келлог и Гуа.
С помощью этого рисунка можно проверить своё цветовое зрение. Люди с нормальным зрением видят в кружке число 74, дальтоники — число 21.
Что было видно через телескоп во время эксперимента по проверке шарообразности Земли. Рисунок А. Уоллеса.
Пройдёт ещё лет пять, и девятая с 1938 года капля вязкой смолы упадёт в подставленный стакан.
«Биосфера-2» — гигантский герметизированный комплекс зданий из бетона, стальных труб и 5600 стеклянных панелей.
‹
›
Открыть в полном размере
ПРЫЖКИ НЬЮТОНА
В детстве Исаак Ньютон (1643—1727) рос довольно хилым и болезненным мальчиком. В играх на свежем воздухе он обычно отставал от сверстников.
Третьего сентября 1658 года умер Оливер Кромвель, английский революционер, ненадолго ставший полновластным правителем страны. В этот день над Англией пронёсся необычайно сильный ветер. Народ говорил: это сам дьявол прилетал за душой узурпатора! Но в местечке Грэнтем, где в то время жил Ньютон, дети затеяли состязание по прыжкам в длину. Заметив, что прыгать лучше по ветру, чем против него, Исаак обскакал всех соперников.
Позже он занялся опытами: записал, на сколько футов удаётся прыгнуть по ветру, на сколько — против ветра и на какую дальность он может прыгнуть в безветренный день. Так он получил представление о силе ветра, выраженной в футах. Уже став знаменитым учёным, он говорил, что считает эти прыжки своими первыми экспериментами.
Ньютон известен как великий физик, но его первый эксперимент можно отнести скорее к метеорологии.
КОНЦЕРТ НА РЕЛЬСАХ
Был и обратный случай: метеоролог провёл эксперимент, доказавший справедливость одной физической гипотезы.
Австрийский физик Христиан Доплер в 1842 году выдвинул и теоретически обосновал предположение о том, что частота световых и звуковых колебаний должна меняться для наблюдателя в зависимости от того, движется ли источник света либо звука от наблюдателя или к нему.
В 1845 году голландский метеоролог Христофор Бейс-Баллот решил проверить гипотезу Доплера. Он нанял паровоз с грузовой платформой, посадил на платформу двух трубачей и попросил их держать ноту соль (два трубача были нужны для того, чтобы один из них мог набирать воздух, пока другой тянет ноту, и таким образом звук не прерывался). На перроне одного полустанка между Утрехтом и Амстердамом метеоролог разместил нескольких музыкантов без инструментов, но с абсолютным музыкальным слухом.
После чего паровоз стал с разной скоростью таскать платформу с трубачами мимо перрона со слушателями, а те отмечали, какую ноту слышат. Потом наблюдателей заставили ездить, а трубачи играли, стоя на перроне. Опыты продолжались два дня, в результате стало ясно, что Доплер прав.
Кстати, позже Бейс-Баллот основал голландскую метеослужбу, сформулировал закон своего имени (если в Северном полушарии стать спиной к ветру, то область низкого давления будет от вас по левую руку) и стал иностранным членом-корреспондентом Петербургской академии наук.
НАУКА, РОДИВШАЯСЯ ЗА ЧАШКОЙ ЧАЯ
Один из основателей биометрии (математической статистики для обработки результатов биологических экспериментов) английский ботаник Роберт Фишер работал в 1910—1914 годах на агробиологической станции близ Лондона.
Коллектив сотрудников состоял из одних мужчин, но однажды на работу приняли женщину, специалистку по водорослям. Ради неё решено было учредить в общей комнате файф-о-клоки.
На первом же чаепитии зашёл спор на извечную для Англии тему: что правильнее — добавлять молоко в чай или наливать чай в чашку, где уже есть молоко? Некоторые скептики стали говорить, что при одинаковой пропорции никакой разницы во вкусе напитка не будет, но Мюриэль Бристоль, новая сотрудница, утверждала, что легко отличит «неправильный» чай (английские аристократы считают правильным доливать молоко в чай, а не наоборот).
В соседней комнате приготовили при участии штатного химика разными способами несколько чашек чаю, и леди Мюриэль показала тонкость своего вкуса. А Фишер задумался: сколько раз надо повторить опыт, чтобы результат можно было считать достоверным? Ведь если чашек было бы всего две, угадать метод приготовления вполне можно было чисто случайно. Если три или четыре — случайность тоже могла бы сыграть роль…
Из этих размышлений родилась классическая книга «Статистические методы для научных сотрудников», опубликованная в 1925 году. Методы Фишера биологи и медики используют до сих пор.
Заметим, что Мюриэль Бристоль, по воспоминаниям одного из участников чаепития, правильно определила все чашки.
Кстати, причина того, почему в английском высшем свете принято доливать молоко в чай, а не наоборот, связана с физическим явлением. Знать всегда пила чай из фарфора, который может лопнуть, если сначала налить в чашку холодное молоко, а потом добавить горячий чай. Простые же англичане пили чай из фаянсовых или оловянных кружек, не опасаясь за их целость.
ДОМАШНИЙ МАУГЛИ
В 1931 году необычный эксперимент провела семья американских биологов — Уинтроп и Люэлла Келлог. Прочитав статью о печальной судьбе детей, росших среди животных — волков или обезьян, биологи задумались: а что, если сделать наоборот — попытаться воспитать обезьяньего детёныша в человеческой семье? Не приблизится ли он к человеку? Сначала учёные хотели переселиться со своим маленьким сыном Доналдом на Суматру, где нетрудно было бы среди орангутанов найти компаньона для Доналда, но на это не хватило денег.
Однако Йельский центр по изучению человекоподобных обезьян одолжил им маленькую самку шимпанзе, которую звали Гуа. Ей было семь месяцев, а Доналду — 10.
Супруги Келлог знали, что почти за 20 лет до их эксперимента русская исследовательница Надежда Ладыгина уже пыталась воспитывать, как воспитывают детей, годовалого шимпанзёнка и за три года не добилась успехов в «очеловечивании». Но Ладыгина проводила опыт без участия детей, и Келлоги надеялись, что совместное воспитание с их сыном даст другие результаты. К тому же нельзя было исключить, что годовалый возраст уже поздноват для «перевоспитания».
Гуа приняли в семью и стали воспитывать наравне с Доналдом. Друг другу они понравились и вскоре стали неразлучны. Экспериментаторы записывали каждую деталь: Доналду нравится запах духов, Гуа его не любит. Проводили опыты: кто быстрее догадается, как с помощью палки добыть печенье, подвешенное к потолку посреди комнаты на нитке? А если завязать мальчику и обезьянке глаза и позвать их по имени, кто лучше определит направление, откуда идёт звук? В обоих тестах победила Гуа.
Зато когда Доналду дали карандаш и бумагу, он сам начал что-то карябать на листе, а обезьянку пришлось учить, что можно делать с карандашом.
Попытки приблизить обезьяну к человеку под влиянием воспитания оказались скорее неудачными. Хотя Гуа часто передвигалась на двух ногах и научилась есть ложкой, даже стала немножко понимать человеческую речь, она приходила в замешательство, когда знакомые люди появлялись в другой одежде, её не удалось научить выговаривать хотя бы одно слово — «папа» и она, в отличие от Доналда, не смогла освоить простенькую игру типа наших «ладушек».
Однако эксперимент пришлось прервать, когда выяснилось, что к 19 месяцам и Дональд не блистал красноречием — он освоил всего три слова. И что ещё хуже, желание поесть он стал выражать типичным обезьяньим звуком вроде взлаивания. Родители испугались, что постепенно мальчик опустится на четвереньки, а человечий язык так и не освоит. И Гуа отослали обратно в питомник.
ГЛАЗА ДАЛЬТОНА
Речь пойдёт об эксперименте, проведённом по просьбе экспериментатора после его смерти.
Английский учёный Джон Дальтон (1766—1844) памятен нам в основном своими открытиями в области физики и химии, а также первым описанием врождённого недостатка зрения — дальтонизма, при котором нарушено распознавание цветов.
Сам Дальтон заметил, что страдает этим недостатком, только после того, как в 1790 году увлёкся ботаникой и оказалось, что ему трудно разобраться в ботанических монографиях и определителях. Когда в тексте шла речь о белых или жёлтых цветках, он не испытывал затруднений, но если цветки описывались как пурпурные, розовые или тёмно-красные, все они казались Дальтону неотличимыми от синих. Нередко, определяя растение по описанию в книге, учёному приходилось спрашивать у кого-нибудь: это голубой или розовый цветок? Окружающие думали, что он шутит. Дальтона понимал только его брат, обладавший тем же наследственным дефектом.
Сам Дальтон, сравнивая своё цветовосприятие с видением цветов друзьями и знакомыми, решил, что в его глазах имеется какой-то синий светофильтр.
И завещал своему лаборанту после смерти извлечь его глаза и проверить, не окрашено ли в голубоватый цвет так называемое стекловидное тело — студенистая масса, заполняющая глазное яблоко?
Лаборант выполнил завещание учёного и не нашёл в его глазах ничего особенного. Он предположил, что у Дальтона, возможно, было что-то не в порядке со зрительными нервами.
Глаза Дальтона сохранились в банке со спиртом в Манчестерском литературно-философском обществе, и уже в наше время, в 1995 году, генетики выделили и исследовали ДНК из сетчатки. Как и следовало ожидать, в ней обнаружились гены дальтонизма.
Нельзя не упомянуть ещё о двух крайне странных опытах с органами зрения человека. Исаак Ньютон, вырезав из слоновой кости тонкий изогнутый зонд, запускал его себе в глаз и давил им на заднюю сторону глазного яблока. При этом в глазу возникали цветные вспышки и круги, из чего великий физик сделал вывод, что мы видим окружающий мир потому, что свет оказывает давление на сетчатку.
В 1928 году один из пионеров телевидения, английский изобретатель Джон Бэйрд, пытался использовать человеческий глаз в качестве передающей камеры, но, естественно, потерпел неудачу.
НЕУЖЕЛИ ЗЕМЛЯ — ШАР?
Редкий пример эксперимента в географии, которая вообще-то не является экспериментальной наукой.
Выдающийся английский биолог-эволюционист, соратник Дарвина — Альфред Рассел Уоллес был активным борцом против лженауки и всяческих суеверий (см. «Наука и жизнь» № 5, 1997 г.).
В январе 1870 года Уоллес прочитал в одном научном журнале объявление, податель которого предлагал спор на 500 фунтов стерлингов тому, кто возьмётся наглядно доказать шарообразность Земли и «продемонстрирует способом, понятным каждому разумному человеку, выпуклую железную дорогу, реку, канал или озеро». Спор предлагал некий Джон Хэмден, автор книги, доказывавшей, что Земля на самом деле — плоский диск.
Уоллес решил принять вызов и для демонстрации закруглённости Земли выбрал прямолинейный отрезок канала длиной шесть миль.
В начале и в конце отрезка стояли два моста. На одном из них Уоллес установил строго горизонтально 50-кратный телескоп с нитями визира в окуляре. Посреди канала, на расстоянии трёх миль от каждого моста, он поставил высокую вешку с чёрным кружком на ней. На другой мост навесил доску с горизонтальной чёрной полосой. Высота над водой телескопа, чёрного кружка и чёрной полосы была совершенно одинаковой.
Если Земля (и вода в канале) плоская, чёрная полоса и чёрный кружок должны совпасть в окуляре телескопа. Если же поверхность воды выпуклая, повторяет выпуклость Земли, то чёрный кружок должен оказаться выше полосы. Так и получилось (см. рисунок). Причём размер расхождения хорошо совпадал с расчётным, выведенным из известного радиуса нашей планеты.
Однако Хэмден отказался даже посмотреть в телескоп, прислав для этого своего секретаря. А секретарь заверил собравшихся, что обе метки находятся на одном уровне. Если некоторое расхождение и наблюдается, то это связано с аберрациями линз телескопа.
Последовал многолетний судебный процесс, в результате которого Хэмдена всё же заставили выплатить 500 фунтов, но Уоллес потратил на судебные издержки значительно больше.
ДВА САМЫХ ДОЛГИХ ЭКСПЕРИМЕНТА
Возможно, самый длительный эксперимент мира начат 130 лет назад (см. «Наука и жизнь» № 7, 2001 г.) и пока не закончен. Американский ботаник У. Дж. Бил в 1879 году закопал в землю 20 бутылок с семенами распространённых сорняков. С тех пор периодически (сначала каждые пять, потом десять, а ещё позже — каждые двадцать лет) учёные выкапывают одну бутылку и проверяют семена на всхожесть. Некоторые особо стойкие сорняки прорастают до сих пор. Следующую бутылку должны достать весной 2020 года.
Самый длительный физический эксперимент начал в университете австралийского города Брисбена профессор Томас Парнелл. В 1927 году он поместил в укреплённую на штативе стеклянную воронку кусок твёрдой смолы — вара, который по молекулярным свойствам является жидкостью, хотя и очень вязкой.
Затем Парнелл нагрел воронку, чтобы вар слегка расплавился и затёк в носик воронки. В 1938 году первая капля смолы упала в подставленный Парнеллом лабораторный стакан. Вторая упала в 1947 году. Осенью 1948 года профессор скончался, и наблюдение за воронкой продолжили его ученики. С тех пор капли падали в 1954, 1962, 1970, 1979, 1988 и 2000 годах. Периодичность падения капель в последние десятилетия замедлилась из-за того, что в лаборатории смонтировали кондиционер и стало холоднее. Любопытно, что ни разу капля не падала в присутствии кого-либо из наблюдателей. И даже когда в 2000 году перед воронкой смонтировали веб-камеру для передачи изображения в интернет, в момент падения восьмой и на сегодня последней капли камера отказала!
Опыт ещё далёк от завершения, но уже ясно, что вар в сто миллионов раз более вязок, чем вода.
БИОСФЕРА-2
Это самый масштабный эксперимент из попавших в наш произвольный список. Решено было сделать действующую модель земной биосферы.
В 1985 году более двухсот американских учёных и инженеров объединились для того, чтобы построить в пустыне Сонора (штат Аризона) огромное стеклянное здание с образцами земной флоры и фауны. Планировали герметически закрыть здание от любых поступлений посторонних веществ и энергии (кроме энергии солнечного света) и поселить здесь на два года команду из восьми добровольцев, которых сразу прозвали «бионавтами». Эксперимент должен был способствовать изучению связей в естественной биосфере и проверить возможность длительного существования людей в замкнутой системе, например при дальних космических полётах. Поставлять кислород должны были растения; вода, как рассчитывали, будет обеспечиваться естественным круговоротом и процессами биологического самоочищения, пища — растениями и животными.
Внутренняя площадь здания (1,3 га) делилась на три основные части. В первой разместились образцы пяти характерных экосистем Земли: участок тропического леса, «океан» (бассейн с солёной водой), пустыня, саванна (с протекающей через неё «рекой») и болото.
Во всех этих частях поселили отобранных ботаниками и зоологами представителей флоры и фауны. Вторую часть здания отвели системам жизнеобеспечения: четверть гектара для выращивания съедобных растений (139 видов, считая тропические фрукты из «леса»), бассейны для рыбы (взяли тиляпию, как неприхотливый, быстро растущий и вкусный вид) и отсек биологической очистки сточных вод. Наконец, имелись жилые отсеки для «бионавтов» (каждому — 33 квадратных метра с общей столовой и гостиной). Солнечные батареи обеспечивали электроэнергию для компьютеров и ночного освещения.
В конце сентября 1991 года восемь человек «замуровались» в стеклянной оранжерее. И вскоре начались проблемы. Погода оказалась необычайно облачной, фотосинтез шёл слабее нормы. К тому же в почве размножились бактерии, потребляющие кислород, и за 16 месяцев его содержание в воздухе снизилось с нормальных 21% до 14%. Пришлось добавлять кислород извне, из баллонов. Урожаи съедобных растений оказались ниже расчётных, население «Биосферы-2» постоянно голодало (хотя уже в ноябре пришлось вскрыть продуктовый НЗ, за два года опыта средняя потеря веса составила 13%).
Исчезли заселённые насекомые-опылители (вообще вымерло от 15 до 30% видов), зато размножились тараканы, которых никто не заселял. «Бионавты» всё же худо-бедно смогли просидеть в заточении намеченные два года, но в целом эксперимент оказался неудачным. Впрочем, он лишний раз показал, насколько тонки и уязвимы механизмы биосферы, обеспечивающие нашу жизнь.
Гигантское сооружение используется сейчас для отдельных опытов с животными и растениями.
СЖИГАНИЕ АЛМАЗА
В наше время уже никого не удивляют опыты дорогостоящие и требующие огромных экспериментальных установок. Однако 250 лет назад это было в новинку, поэтому смотреть на поразительные опыты великого французского химика Антуана Лорана Лавуазье сходились толпы народа (тем более что опыты проходили на свежем воздухе, в саду около Лувра).
Лавуазье исследовал поведение разных веществ при высоких температурах, для чего построил гигантскую установку с двумя линзами, концентрировавшими солнечный свет.
Изготовить собирательную линзу диаметром 130 сантиметров и сейчас задача нетривиальная, а в 1772 году это было просто невозможно. Но оптики нашли выход: сделали два круглых вогнутых стекла, спаяли их и в промежуток между ними налили 130 литров спирта. Толщина такой линзы в центре составляла 16 сантиметров. Вторая линза, помогавшая собрать лучи ещё сильнее, была раза в два меньше, и её изготовили обычным способом — шлифованием стеклянной отливки. Эту оптику установили на огромной специальной платформе (её рисунок можно видеть в «Науке и жизни» 8, 2009 г.). Продуманная система рычагов, винтов и колёс позволяла наводить линзы на Солнце. Участники опыта были в закопчённых очках.
В фокус системы Лавуазье помещал различные минералы и металлы: песчаник, кварц, цинк, олово, каменный уголь, алмаз, платину и золото. Он отметил, что в герметически запаянном стеклянном сосуде с вакуумом алмаз при нагревании обугливается, а на воздухе сгорает, полностью исчезая. Опыты обошлись в тысячи золотых ливров.
Эксперимент с двумя щелями и границы макромира / Хабр
В 1900, последнем году XIX века, Макс Планк открыл кванты света: показал, что энергия света передается в виде минимальных энергетических пакетов. Так зародилась квантовая физика, которая, казалось бы, совершенно случайно попала из XXI века в начало XX-го. На практике квантовая механика оказалась одной из самых точных и строгих систем, известных науке: принципы квантовой механики лежат в основе деления атомного ядра, действия лазера, работы полупроводников. Сегодня уже осуществлены квантовая телепортация и квантовые вычисления. При этом, еще в 1927 году, на пятом Сольвеевском конгрессе, посвященном проблемам квантовой механики, состоялся знаменитый спор между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором по поводу интерпретируемости квантовой механики. На тот момент победила точка зрения Бора («копенгагенская интерпретация»), указывающая, что следует абстрагироваться от концептуализации событий, происходящих при квантовых взаимодействиях, удовлетворившись математической согласованностью квантовой механики.
При этом квантовая система понимается во многом как «черный ящик», но ее уравнения с удивительной точностью подтверждают результаты экспериментов.
Основное отличие квантовой физики (доминирует в микромире) от классической физики (доминирует в макромире) заключается в вероятностном характере квантовых процессов. Так, применительно к электрону в атоме, уравнения квантовой механики дают распределение вероятностей, указывающих, в какой точке орбитали должен быть электрон – и именно там он и оказывается по результатам эксперимента.
Именно с неопределенностью результатов квантового эксперимента вплоть до его окончания связаны и разнообразные квантовые парадоксы, увлекательно описанные в книге Николя Жизана «Квантовая случайность». С неопределенностью того же рода связан знаменитый реальный эксперимент с двумя щелями. Ниже я напомню суть этого эксперимента, после чего расскажу о его новейших постановках. Суть этих повторных экспериментов – наблюдать проявление квантовой вероятности не только в случаях с элементарными частицами, но и с атомами, неорганическими молекулами, крупными органическими молекулами и… так далее.
Так нащупывается граница между микромиром и макромиром, то есть, областью доминирования квантовой физики и областью доминирования классической физики.
Эксперимент с двумя щелями
В начале XIX века в научном сообществе, представители которого мыслили в духе детерминизма классической физики, всерьез встал вопрос о том, что представляет собой свет: частицы или волны. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, «корпускул», что и позволяет объяснить его преломление. С другой стороны, теория Гука-Гюйгенса приводит к выводу, что свет проявляет волновые свойства. Ключевым экспериментом, призванным конкретизировать природу света, стал опыт с двумя щелями, поставленный Томасом Юнгом в 1801 году. Именно Томас Юнг, опираясь на феномен интерференции волн, окончательно сформулировал волновую теорию света, которую проиллюстрировал при помощи своего знаменитого эксперимента:
Свет последовательно пропускается через два барьера, в первом из которых прорезана одна щель, а во втором — две.
Если бы свет состоял из частиц-корпускул, то на экране, расположенном за вторым барьером, образовывалось бы две освещенные полосы, по одной напротив каждой из щелей. На самом же деле на экране образуется интерференционный узор, свидетельствующий, что свет распространяется по принципу волны. В 1818 году на основании этих данных Французская Академия выступила с вопросом о том, сможет ли кто-нибудь непротиворечиво объяснить природу света. В результате опытов Жака Френеля и Симеона Дени Пуассона на оставшуюся часть XIX века установилось представление о волновой природе света, которое было вновь оспорено только в 1900 году, когда Планк предложил вышеупомянутую концепцию «кванта». Промежуточным итогом, позволившим вписать физические свойства света в квантовую механику, стала теория корпускулярно-волнового дуализма, сформулированная Луи де Бройлем в 1924 году. Согласно этой теории, свет одновременно проявляет свойства волны и потока частиц.
На фоне такого развития событий в 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер повторили эксперимент с двумя щелями на электронах, чтобы показать их дифракцию.
Длина волны электрона зависит от энергии частицы, и оказалось, что электрон с энергией 100 эВ (электрон-вольт) имеет длину волны 0,1 нм, что весьма сопоставимо с расстоянием между атомами в кристаллической решетке. Поскольку к тому времени уже удалось получить дифракцию рентгеновских лучей в кристаллической решетке, дифракция электронов также дала ожидаемый результат: два пучка электронов, пропускаемых через две щели, оставляли на экране такие следы, которые должны оставаться от двух волн.
Именно тогда в полной мере началась эпоха квантовых парадоксов, на протяжении которой довелось узнать, что на микроуровне мир устроен существенно иначе, нежели на макроуровне, устроен абсурдно и контринтуитивно. Так, был обнаружен квантовый туннельный эффект, при котором квантовая частица с некоторой вероятностью может преодолеть барьер, непроницаемый для классической частицы. Была выявлена зависимость результата опыта от акта измерения, наиболее ярко представленная в виде мысленного эксперимента под названием «кот Шрёдингера» (а также его усложненного варианта под названием «друг Вигнера»):
Не вдаваясь в подробное описание этих экспериментов, отмечу: характер течения квантовых экспериментов ключевым образом зависит от присутствия или отсутствия наблюдателя.
Так, в вышеупомянутой постановке двухщелевого эксперимента с электронами интерференционная картина сохраняется, только когда за ходом эксперимента никто не смотрит. Если эксперимент пронаблюдать, то происходит коллапс волновой функции частицы, и поток электронов разделяется надвое. Электроны начинают вести себя как корпускулы и оставлять на экране не интерференционный узор, а две полосы напротив двух щелей. Данное явление называется «декогеренцией». По какой-то причине поток частиц теряет квантовую согласованность и перестает вести себя как единая волна.
При этом в 1949 году советским ученым Биберману, Сушкину и Фабриканту удалось продемонстрировать, что дифракционные свойства присущи не только потоку электронов, но и отдельному электрону, проходящему через детектор. Буквально в процессе подготовки этой публикации, 20 августа 2021 года, появилась новость об экспериментальном подтверждении корпускулярно-волнового дуализма у одиночного фотона. Дифракцию одиночного фотона выполнила команда во главе с Тай Хён Юн из Южнокорейского института фундаментальных наук.
Таким образом, квантовой механике подчиняются мельчайшие частицы наблюдаемого мира… а вот каковы самые крупные объекты, которые также ей подчиняются?
Щель расширяется
В начале XXI была поставлена целая череда экспериментов, демонстрирующих, что двухщелевой эксперимент можно проводить не только с элементарными частицами, но и с атомами, молекулами, крупными молекулами, огромными молекулами и, возможно, даже с вирусами.
Подобные эксперименты гораздо сложнее экспериментов над электронами, как с физической, так и с технологической точки зрения. Создать пучок электронов и пропускать их через две щели можно при помощи электронных пушек, расположенных в вакуумированной камере. С молекулами, особенно крупными, приходится учитывать гораздо больше факторов: вес, форму, ориентацию молекул, а также силу химических связей между атомами в них. Для максимального упрощения этих факторов в одном из первых опытов, призванных исследовать квантовые эффекты на примере больших молекул, использовались фуллерены.
У меня в блоге я уже упоминал новейшие исследования, связанные с фуллеренами; напомню, что фуллерены – это крупные неорганические молекулы, состоящие из атомов углерода. Фуллерен C60 напоминает по форме футбольный мяч, а фуллерен C70 – мяч для регби. В описываемом опыте, поставленном в 1999 году, фуллерены доводили до газообразного состояния, нагревая в керамической печи до температуры 900 K, а затем с силой выдувая через щель в ее корпусе. Действительно, в таком опыте фуллерены демонстрируют интерференционный паттерн, характерный для двухщелевого эксперимента:
В данном случае фуллерены проходили через детектор со скоростью около 200 м/c.
В 2019 году в Венском университете группа под руководством Армина Шайеги успешно провела двухщелевой опыт с молекулой грамицидина, состоящей из 15 аминокислот. Длина волны в таком эксперименте тем меньше, чем больше размер молекулы, поэтому детектор должен быть особенно чувствительным. Кроме того, приходится иметь дело с хрупкостью органических молекул, о которой я писал выше.
Для проведения опыта Шайеги с коллегами покрыли тонким слоем грамицидина край вращающегося угольного колесика. Затем этот край бомбардировали лазерными импульсами длительностью по несколько фемтосекунд каждый, отщепляя таким образом молекулы грамицидина и по возможности не повреждая их. После этого отдельные молекулы грамицидина подхватывались струей аргона, гнавшей их в детектор со скоростью 600 м/с. Действительно, в данном эксперименте грамицидин продемонстрировал длину волны в 350 фемтометров.
В сентябре 2019 году там же, в Венском университете, был поставлен еще более амбициозный опыт под руководством Маркуса Арндта. В ходе этого опыта удалось наблюдать волновые квантовые свойства у молекулы размером 2000 атомов, формула которой C707H260F908N16S53Zn4.
Эти молекулы направляли в детектор, пропуская их через пятиметровую вакуумную трубку. Чтобы они случайно ни с чем не провзаимодействовали, для движения молекул выделили узкий «коридор», а саму трубку защитили от малейших колебаний при помощи системы пружин и амортизаторов.
Такая молекула настолько огромна по сравнению с фуллереном и даже с элементарной частицей, что напрашиваются теории, предполагающие, что граница между микро- и макромиром вообще отсутствует, и макроскопические объекты также могут находиться в квантовой суперпозиции, правда, в течение исчезающе малых промежутков времени. В статье об этом эксперименте упоминается теория непрерывной спонтанной локализации (CSL), в соответствии с которой в уравнение Шрёдингера вводится стохастический нелинейный член, фактически разрушающий макроскопические суперпозиции с течением времени.
Вирус Шрёдингера
Итак, переходим к самому интересному. Квантовые эффекты в живой природе объективно реальны, например, именно на них основан фотосинтез. Но можно ли поместить живое существо в квантовую суперпозицию, то есть, провести его одновременно через две щели или воспроизвести эксперимент с котом Шрёдингера, но с участием вируса?
В 2009 году группа О. Ромеро-Изарта из Инсбрукского университета предложила осуществить оптическую левитацию вируса, так, чтобы вирус парил в вакуумной полости, а затем добиться запутанности вируса с квантовым состоянием микроскопического объекта, например, фотона.
Ромеро-Изарт указывает, что подобный опыт возможен в реальности, а не только в качестве мысленного эксперимента, поскольку (1) уже осуществлен оптический захват микроорганизмов в жидкости, (2) некоторые микроорганизмы вполне выживают в вакууме, (3) размер вирусов и некоторых других мельчайших организмов сравним с длиной волны лазера, (4) некоторые микроорганизмы прозрачны и, следовательно, проницаемы для фотонов. По мнению Ромеро-Изарта, для квантовой суперпозиции хорошо подошел бы продолговатый вирус табачной мозаики, поскольку ширина его составляет всего 50 нм, а длина — 1 µm.
Насколько я смог выяснить, на данный момент квантовая суперпозиция вируса еще не получена, но в заключение этой статьи хотелось упомянуть о фантастическом рассказе Грега Бира, который называется «Чума Шрёдингера». Фабула рассказа такова: теоретически смертельно опасный вирус можно поместить в квантовое состояние, в котором он либо заразил, либо не заразил человека. Тогда волновая функция вируса, запутанного с радиоактивным ядром, схлопнется в момент распада этого ядра – и из-за этого единичного квантового события человечество может быть поставлено на грань вымирания. С другой стороны, если квантовая функция действительно схлопывается в результате сознательного наблюдения, то заражение таким вирусом ни в коем случае нельзя диагностировать. Если смертельный квантовый вирус есть у нас в организме, то он подействует на нас, только когда врач узнает результаты анализа, либо как только мы сами ощутим у себя симптомы этого вируса. Таким образом, эксперимент с котом Шрёдингера может быть перенесен сразу на все человечество.
Надеюсь, что этот пример достаточно парадоксален и реалистичен, чтобы мы сначала попытались разобраться, как соотносится квантовая механика и мозг (оригинал на сайте Nautil.us), и только после этого пытались экспериментировать с реальной суперпозицией живых организмов.
Эксперимент исследует, как классическая физика может возникнуть из квантовой физики
Иллюстрация простой квантовой системы, состоящей из двух несоизмеримых оптических решеток, которые «пинают» макроскопическую волну атомной материи (оптически захваченный конденсат Бозе-Эйнштейна). Исследователи обнаружили, что классическое поведение естественно возникает в этой закрытой квантовой системе. Предоставлено: Брайс Гэдвей и др.
(Phys.org) — Чтобы лучше понять, как законы, управляющие квантовым и классическим режимами, связаны друг с другом, физики провели эксперимент, позволяющий им наблюдать переход от квантового к классическому в простой замкнутой квантовой системе. Результаты показывают, что классическое поведение может быть врожденным свойством определенных изолированных квантовых систем, таких как изучаемая здесь, и может возникать из квантовой физики при определенных условиях.
Физики Брайс Гэдуэй и др. под руководством профессора Доминика Шнебле из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке опубликовали свою статью об эксперименте перехода от квантового к классическому в недавнем выпуске Physical Review Letters . В настоящее время Гэдвей работает в Колорадском университете в Боулдере.
«Наши результаты показывают, что классическая физика может возникнуть очень естественным образом в больших квантовых системах — в данном случае «большие» означают всего две связанные подсистемы — без обращения к внешней «среде», ответственной за декогерентность», — сказал Гэдвей. Phys.org . «Эти результаты, безусловно, наводят на мысль о том, что классическое поведение — в частности, диффузионный транспорт, похожий на случайные блуждания, с ожидаемой классической скоростью — является врожденным свойством этой простой квантовой хаотической системы».
Наблюдение ученых подтверждает предсказание С. Адачи и др., сделанное в 1988 году, о том, что классическое поведение возникнет в ведомой квантовой системе, состоящей из двух связанных роторов. В новом исследовании исследователи реализовали роторы с пинком, «пиная» макроскопическую волну атомной материи (оптически захваченный конденсат Бозе-Эйнштейна) с помощью двух периодически пульсирующих оптических решеток. Распределив импульсы определенным образом, исследователи смогли создать связь между двумя оптическими решетками, которые действуют как роторы.
Физики обнаружили, что на импульс системы влияет по-разному, когда ее толкают два соединенных ротора, по сравнению с одним ротором. В частности, сцепление вызывает переход от локализации к делокализации. В этом контексте локализация означает, что волна материи не рассеивается и не распространяется. С другой стороны, делокализации соответствует возникновение классической диффузии, а также полностью хаотичное поведение. По сути, соединение двух роторов приводит к переходу от локализации к делокализации, сигнализируя о переходе от квантового к классическому, как и было предсказано 25 лет назад.
Хотя ранее сообщалось о других демонстрациях квантово-классических переходов, исследователи объясняют, что эта демонстрация особенно интересна, поскольку она происходит в закрытой системе.
(а) Иллюстрация конденсата Бозе-Эйнштейна, подвергнутого воздействию серии импульсов от двух несоизмеримых оптических решеток, которые действуют как роторы. (б) Спектры дифракции атомов, высвобождаемых после 1 удара и 40 ударов при возбуждении одной решеткой. На графике показано распределение импульса после 40 ударов ногами. (c) То же, что и в (b), но для вождения с двумя решетками. Черная пунктирная линия на графике внизу представляет собой гауссовский профиль, соответствующий диффузионному растеканию, что свидетельствует о классическом поведении. Предоставлено: Брайс Гэдвей и др. ©2013 Американское физическое общество
«До сих пор большинство демонстраций квантово-классического перехода имело место в открытых квантовых системах, где чисто квантово-механическая подсистема (такая как кубит) связана с некоторым макроскопическим резервуаром, с конечным результатом, являющимся декогерентностью чистая подсистема, — сказал Гэдвей. «Это несколько искусственно, поскольку основано на отделении резервуара от декогерентной системы; предполагается, что информация, потерянная в резервуаре, никогда не будет возвращена.
переходы могут возникать даже в динамике простых замкнутых квантовых систем. Путем соединения двух квантово-хаотических подсистем — так называемых «квантовых роторов с пинком» — они оба переходят от локализации из-за деструктивной интерференции к отображению диффузионного переноса энергии совершенно классическим способом. И это несмотря на то, что вся динамика строго унитарна и обратима во времени».0003
В будущем физики надеются, что эксперимент можно будет распространить на три и более связанных ротора с помощью дополнительных оптических решеток. Как объяснил Гэдвей, эти и другие эксперименты могут дать более глубокое понимание перехода от локализации к делокализации в нелинейных, неупорядоченных квантовых системах.
«Одним из направлений будущих исследований будет просто масштабирование этого до соединения трех или более квантовых роторов, где мы ожидаем, что переход к классическому поведению может произойти при более слабом приводе и/или более слабом соединении ротор-ротор», — сказал он. . «Мы также стремимся связать внешнее движение этих частиц с их внутренними состояниями (то есть с их вращением) для изучения квантового хаоса в «вращающихся» системах».
Дополнительная информация:
Брайс Гэдвей и др. «Доказательства перехода от квантового к классическому в паре связанных квантовых роторов». ПРЛ 110, 190401 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.190401
Веб-страница профессора Доминика Шнебле: Ультрахолодная физика в Университете Стоуни-Брук
© 2013 Phys.org. Все права защищены.
Цитата :
Эксперимент исследует, как классическая физика может возникнуть из квантовой физики (24 мая 2013 г.)
получено 9ноябрь 2022 г.
с https://phys.org/news/2013-05-classical-physics-emerge-quantum.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
физика — Каковы определяющие эксперименты/явления, которые мотивируют квантовую механику?
Конечно, простого ответа нет, на рубеже веков все развивалось довольно быстро. Ниже я дам обзор того, что происходило и какие эксперименты выполнялись, но мне придется обратиться к более существенным источникам для получения каких-либо подробностей.
Экспериментальные данные начинаются, я бы сказал, с Герца и Уоллакса в 1890-х годах. (Эксперименты по излучению черного тела, конечно, были бы более надежной основой, но результаты этих экспериментов были менее поразительными, хотя они могли бы быть, если бы исследовали их более тщательно. ) Герц обнаружил воздействие ультрафиолетового света от искры на интенсивность второй искры поблизости, которую его лаборант (и своего рода преемник) Уоллахс дополнительно исследовал. Это явление первоначально называлось эффектом Уоллакса, но сегодня мы признаем его ранним свидетельством фотоэлектрического эффекта. Ленард продолжал расширять экспериментальные данные, подтверждающие это явление, и отсюда возникло поведение, которое Эйнштейн пытался объяснить в своей работе 1905 бумага.
Спектроскопия, исследование спектральных линий элементов, была одной из самых интересных областей исследований. Взяв образец, например. водород, возбужденный до испускания видимого света, у нас есть наш источник; затем свет от источника направляется на дифракционную решетку, и полученный спектр рассматривается на своего рода цветовой шкале. Такие эксперименты были популярны, и они были источником многих теоретических работ. Особенно примечательно развитие серии Бальмера для определения положения спектральных линий водорода, но и другие явления, такие как расщепление спектральных линий (эффект Зеемана), также будут иметь большое значение.
Эксперименты с катодными лучами легли в основу многих важных открытий, но наиболее значительным является эксперимент Дж. Дж. Томпсона, продемонстрировавший тот факт, что «лучи» на самом деле содержат электрический заряд и, таким образом, являются потоком материи (электронов). Изучение рентгеновских лучей также развилось из экспериментов с электронно-лучевой трубкой и в сочетании с недавно открытым явлением радиоактивности открыло двери для гораздо более изощренных моделей атомной структуры. Такие модели необходимы для развития квантовой теории.
Примерно в то же время (с конца 1800-х до 1900-1901) экспериментальные данные, касающиеся излучения черного тела, выявили пределы моделей того периода, в частности закона Вейна, и в ответ на это Планк разработал свою знаменитую теорию квантов. Это случай, когда необходимо было сделать опрометчивые предположения, чтобы получить подходящую модель реальности, но Планк не заявлял о физической «истинности» своих квантов, он только продемонстрировал вывод, который был гораздо более успешным, чем существующие теории, с -эвристические рассуждения. Тем не менее, Эйнштейну 19 лет.05 статья о фотоэлектрическом эффекте во многом опиралась на идеи Планка.
Эксперименты, направленные на изучение структуры материи, позволили Бору (среди многих других) сформулировать свои теории атома. Главным среди них был эксперимент Резерфорда с золотой фольгой, эксперимент, ставший возможным благодаря исследованиям радиоактивности, проведенным в предшествовавшее десятилетие. Спектроскопические эксперименты также оказали наибольшее влияние на Бора и его современников. Но ранние попытки объяснить поведение атома страдали парадоксами. Например, законы электромагнетизма запрещали заряженной частице вращаться по орбите вокруг ядра без постоянного излучения энергии. Так называемая «старая квантовая теория» была построена путем использования квантования энергии для объяснения этого факта, опираясь как на теорию Планка, так и на экспериментальные и теоретические работы в области спектроскопии.
По мере того, как 1900-е превращались в 1910-е, очень тщательные эксперименты по фотоэлектрическому эффекту проверяли ключевые аспекты полемики о корпускулярных волнах. Применение классической механики, модифицированной с учетом квантования, выявило некоторые недостатки в рабочих теориях Бора и др. Попытки объединить эйнштейновскую (весьма успешную, но все еще развивающуюся) теорию взаимодействия излучения и вещества с известными волновыми явлениями, связанными со светом (в частности, дисперсией), вдохновили на более абстрактные работы, включая знаменитую теорию БКС, а также важные теоретические работы Крамерса, Гейзенберга, Борна, Джордана, Дирака и Шредингера. Но я отвлекся, мы отошли от экспериментов.
Многие дальнейшие эксперименты сформировали концепции квантовой механики. Некоторые отвергли классические идеи, такие как Майкельсон-Морли; другие продемонстрировали примеры квантования за пределами энергии, такие как эксперимент Штерна-Герлаха. Ключевым доказательством теории фотонов Эйнштейна была работа Комптона по дифракции рентгеновских лучей. Открытие протонов, мюонов и пионов, а затем и нейтронов положило начало развитию стандартной модели физики элементарных частиц.