Квантовый мир

Первым внимание научного сообщества к этой новой области физики привлек нобелевский лауреат Ричард Фейнман, задавший обманчиво простой вопрос: «Насколько маленькой можно сделать машину?» Вопрос этот не был чисто академическим. Компьютеры постепенно становились все меньше и меньше, меняя лицо промышленности, и делалось все более очевидным, что ответ на этот вопрос может оказать громадное влияние на общество и экономику.

В пророческой лекции, прочитанной в 1959 г. в Американском физическом обществе и озаглавленной «Там, внизу, полно места», Фейнман сказал: «Интересно, что физик в принципе может (как мне кажется) синтезировать любое химическое вещество по написанной химиком формуле. Пишите заказ, и физик все сделает. Каким образом? Поставит атомы на те места, которые укажет химик, и таким образом построит вещество». Фейнман сделал вывод, что возможны машины, состоящие из отдельных атомов, но новые законы физики делают их создание трудным, хотя и не невозможным, делом.

Так что в конечном итоге может оказаться, что судьбы мировой экономики и множества стран зависят от интуитивно непонятных и даже нелепых на взгляд непосвященного принципов квантовой теории. В обычной жизни нам представляется, что законы физики при переходе к более мелкому масштабу не меняются. Из фильмов типа «Дорогая, я уменьшил детей» и «Невероятно уменьшающийся человек» зритель получает ошибочное впечатление о том, что для миниатюрных человечков законы природы выглядели бы точно так же, как для нас. К примеру, в одной из сцен диснеевского фильма уменьшившиеся герои едут на муравье во время грозы. Капли падают на землю и образуют крошечные лужицы, в точности как в нашем мире. На самом же деле капли будут крупнее муравьев, так что муравей, столкнувшись с упавшей каплей, увидит большую водяную полусферу. Водяная полусфера не растекается, потому что сила поверхностного натяжения удерживает ее, как накинутая сверху сеть. В нашем мире поверхностное натяжение воды невелико и не играет существенной роли; мы его просто не замечаем. Но в масштабе муравья поверхностное натяжение приобретает громадное значение.

(Более того, если вы попытаетесь пропорционально увеличить муравья, так чтобы он стал размером с дом, у вас возникнет серьезная проблема: ноги такого муравья-гиганта не выдержат и сломаются. Дело в том, что при увеличении муравья его вес будет расти намного быстрее, чем сила его ног. Если вы сделаете муравья в десять раз длиннее, его объем, а значит, и масса вырастут в 10×10×10 = 1000 раз. Но сила мускулов пропорциональна их толщине, т.е. площади сечения, и увеличится всего лишь в 10×10 = 100 раз. Следовательно, гигантский муравей станет в 10 раз слабее, в относительных единицах, своего реального прототипа. Это означает также, что Кинг-Конг, вместо того чтобы терроризировать Нью-Йорк, просто рассыпался бы, попытавшись влезть на небоскреб.)

Фейнман отметил, что на атомном уровне доминируют другие силы, к примеру водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса, порождаемые электрическим взаимодействием между атомами и молекулами. Многие физические свойства веществ определяются именно этими силами.

(Для наглядной демонстрации этого рассмотрим простой вопрос: почему на дорогах северо-востока США[12]так много выбоин и ухабов? Каждую зиму вода проникает в крохотные трещинки в асфальте; при замерзании вода расширяется, асфальт начинает крошиться и образуется выбоина. Но сама мысль о том, что вода при замерзании расширяется, противоречит житейскому здравому смыслу. А вода действительно расширяется, и причиной тому — водородные связи. Молекула воды по форме напоминает букву V, причем в основании располагается атом кислорода. Молекула воды несет легкий отрицательный заряд у основания и легкий положительный заряд «наверху», где располагаются атомы водорода. Поэтому при замораживании воды ее молекулы выстраиваются в правильную пространственную решетку и застывают, а между ними остается пустое пространство. Молекулы воды образуют пространственные шестиугольники, расстояние между атомами в которых больше, поэтому лед объемнее воды. По этой же причине снежинки обладают шестисторонней симметрией, а лед плавает в воде, хотя по идее должен бы в ней тонуть.)