Как посчитать кванты

квант

Наши отношения с природой отягчены насилием не только тогда, когда мы, как теперь выражаются, нарушаем экологическое равновесие. Тайны у природы мы часто не просто раскрываем — мы отбираем, отнимаем, вырываем у нее тайны. Вглубь живой клетки, за секретом структуры ДНК биологи проникли как хирурги, а не как рентгенологи, даже если инструментом исследования служили рентгеновские лучи. В поисках того, что оказалось знаменитой двойной спиралью, ученые буквально сжигали клетки. Так бывает с объектом исследования не только в биологии, но и в физике, и в химии. Мы разрушаем, говоря образно, дом, а потом пытаемся судить по развалинам, каким был дом до того, как на его стены обрушились удары чугунной шарбабы.

Чтобы сделать даже самое простое измерение, приходится порою если не уничтожать, так терять как раз то, что должен измерить. (Впрочем, ученые стараются использовать методы, которые максимально не нарушают целостности наблюдаемых явлений, одним из таких методов может считаться рамановская микроскопия, ее применяют, например, для анализа тонких шлифов в минералогии и геологии, но вот уже в квантовой механике о которой пойдет речь в этой статье, нужны несколько иные подходы).

Дано, скажем: резонатор энергии сверхвысокой частоты. Собственно говоря, нечто вроде консервной банки, только заключены в ней не бычки в томате или яблочный сок, а энергия в виде квантов электромагнитного поля. И нет на нашей банке с энергией наклейки с надписью: столько-то квантов нетто. А ведь как бы хотелось узнать, каково содержимое резонатора, сколько в нем этих самых квантов. Способ узнать есть, и простой — дальше некуда. Надо вскрыть «консервную банку», иначе говоря, сделать в резонаторе отверстие, чтобы кванты «высыпались» наружу. У отверстия поставить счетчик — дело нехитрое, есть масса вполне пригодных конструкций — и по мере потери резонатором квантов счетчик будет щелкать да щелкать, пока, наконец, не даст окончательную цифру, не сообщит, сколько же квантов было в резонаторе, пока он не опустел.

Утверждают, что Тамерлан как-то, желая выяснить, сколько пленных он взял в одном сражении, приказал отрубить всем им головы, а затем эти головы пересчитать. К лицу ли физике оказываться в положении древнего тирана?

Что же делать, если надо узнать, сколько квантов есть, а не было, если мы хотим изучать не прошлое резонатора, а настоящее?

Это нужно не из чистого любопытства. В тысячи сложнейших и разнообразнейших экспериментальных приборов входит резонатор, не раз и не два может понадобиться выяснить число квантов то в одном, то в другом, в сотом, в тысячном резонаторе… А где-то в отдаленном будущем можно попытаться представить себе компьютер, оперирующий квантами, а это, разумеется, возможно, только если число квантов в любой момент определимо.

Есть тут решение такое, что и лежит близко, и кажется довольно простым: надо всего-навсего сделать часть стенки резонатора упругой, прогибающейся под давлением изнутри. Степень прогиба будет зависеть от давления барабанящих по стенкам резонатора квантов (частиц-волн). Можно вывести формулу этой зависимости.

Так почему же простое на вид решение никто даже не пробовал пока осуществить и вряд ли в ближайшее время попытается? Да потому, что оно просто в теории, зато чрезвычайно сложно технически. Слишком тонка зависимость между предполагаемым прогибом стенки и давлением на нее, слишком трудно сделать прибор таким, чтобы измерения давали точные ответы. Что же делать?

Возможно, есть другой вариант решения задачи, бесконечно более интересный теоретически, с одной стороны, и технически менее сложный — с другой (хотя пока что и технически совсем не такой уж простой).

Речь идет о том, чтобы пересчитать кванты, не выпуская их из коробки и не делая стену коробки гибкой. А просто пересчитать «по головам», как капитан Врунгель пересчитывал, селедок в перегоняемом им рыбьем стаде.

Есть, оказывается, и такая возможность. Пока достаточно далекая и все же приближающаяся с неизбежностью. Ключ к этой возможности дает одно из открытий, сделанных еще великим Майклом Фарадеем, выяснившим столько нового об электричестве и магнитном поле, свете и множестве других вещей.

Фарадей открыл, в частности, что магнитное поле изменяет направление колебаний световых волн,— как говорят физики, поворачивает плоскость их поляризации.

Грубая аналогия: домашняя хозяйка, встряхнув веревку с бельем, раскачивающуюся под порывами ветра, изменяет характер колебаний веревки.

Есть, однако нечто вроде физического закона — если некое явление подвластно влиянию другого, то и оно, это первое явление, в свою очередь, может воздействовать на второе… В физике получается так (опять аналогия): деревья качаются, потому что ветер дует, но и ветер порой может подуть оттого, что деревья качаются.

Не приходится, значит, удивляться, что был открыт и «обратный эффект Фарадея»: способность световой волны, определенным образом поляризованной, намагничивать вещество, по которому эта волна идет. Удивляться можно скорее другому — «обратный эффект» открыли только в 1965 году, через столетие с лишком после открытия Фарадеем эффекта прямого. Сделали это физики Ван дер Зилом, Першан и Мальстрём.

А дальше… дальше, уже в 1980 году, ученые доктор физико-математических наук В. Б. Брагинский и кандидат тех же наук Ф. Я. Халили предложили использовать «обратный эффект» Фарадея для пересчета квантов.

Берется резонатор из стекловолокна в виде прозрачного «бублика»-тора, бублика, по которому бегают кванты света — света поляризованного, изменившего свои колебания «как надо». И вместе с квантами бежит по стекловолокну, в силу «обратного эффекта», словно бы крошечный магнит. Магнитное поле, создаваемое этим магнитиком, можно измерить — а размеры поля, разумеется, определяются числом квантов. Выходит, достаточно поднести к такому резонатору точный магнитометр, чтобы пересчитать кванты, при этом не потеряв ни одного из них. Но почему же я говорю об этом как о возможности чисто теоретической? Да по той простой причине, что размеры магнитного поля будут определяться не одним лишь числом квантов, но и материалом стекловолокна.

Те вещества, из которых его можно изготовить сегодня, позволят квантам создать лишь очень слабые магнитные поля. Для измерений, в которых можно было бы пересчитать кванты поодиночке, понадобится стекловолокно с другими свойствами. Что же — химии не впервые выполнять заказ физики, а природных запретов на вещества, где «обратный эффект» Фарадея проявляется с особой силой, нет.

Можно измерить число квантов, бегущих внутри «бублика», с тою же оговоркой насчет улучшения некоторых свойств этого волокна — и иначе. Магнитное поле, бегущее вместе со светом по стекловолокну, возбуждает электромагнитные колебания на радиочастотах в среде, окружающей световод. Число этих радиоквантов можно измерить. Поскольку на их рождение идет энергия световых квантов, то, потеряв ее, они должны измениться, стать менее энергичными, а ослабевшие частицы света, как известно, совершенно определенным образом меняют цвет — краснеют. Но, покраснев, оптические кванты не изменят своей численности, о которой сообщат счетчикам их радиочастотные детища.

Можно, наконец, так связать резонатор из стекловолокна с обычным металлическим резонатором, чтобы колебания поля в первом из них порождали во втором колебания сверхвысокой частоты (СВЧ). Один оптический квант в сотню тысяч раз тяжелее кванта СВЧ. Совсем немного изменятся, едва-едва покраснеют кванты в стекловолокне, когда каждый из них передаст счетчику легчайший квант СВЧ. Если вспомнить жестокий способ, которым Тамерлан узнавал число пленных, то приходит на ум другое сравнение: у каждого пленника отрезали прядку волос, перевязывали ленточкой и отправили Железному Хромцу…

Остается добавить, что сама возможность хотя бы в будущем пересчитывать кванты с величайшей точностью, при этом не сокрушая измеряемые их системы, привлекает ученых все-таки не только тонкостью предполагаемых эффектов и не просто ради самих по себе конкретных измерений, как бы важны они ни были. Даже радужная мечта о «квантовом компьютере» — совсем не главное, что сосредоточивает на проблеме квантовых измерений (она, конечно, гораздо шире конкретного случая, о котором идет речь). В квантовой механике «метод» разрушения объекта при исследовании с разговора, о котором начата статья, возведен в принцип, точнее, в два принципа: дополиительности и неопределенности.

Прибор обязательно меняет что-то при измерении; нельзя, невозможно, немыслимо измерить точно сразу две из каждой пары связанных между собой характеристик любой частицы-волны: хочешь узнать ее энергию — так забудь и думать выяснять, в какой фазе данная частица-волна в тот же момент находится, и наоборот.

В. Б. Брагинский и Ф. Я. Халили это ограничение не нарушили, определяя точно число квантов, а тем самым их энергию. Они заведомо отказываются определять фазу, в которой кванты находятся.

Так что природу они не обманули, запретов ее не нарушили. Ученые «только» нашли способ по-новому использовать для ее исследования научное открытие. Ведь покоряют природу, как давно сказано, подчиняясь ей. Очень важно, однако, знать пределы отпущенной природой власти. Ведать, что нельзя, даже если очень хочется, а что и как можно и нужно делать. Чтобы, в конце концов, мы научились слушать природу, не разрывая предварительно одушевляющей ее связи явлений.

Автор: Р. Подольный.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *