Квант. Путеводитель для запутавшихся

Теоретическая возможность создания потока отрицательной энергии – на практике пучка холода и тьмы вместо тепла и света – привела к появлению целого ряда странных и запутанных сценариев. Допустим, этот пучок направлен на горячий объект, отличный от черной дыры, например на печь, топка которой закрыта заслонкой. Казалось бы, содержимое печи должно потерять энергию и остыть. Однако это было бы явным нарушением прославленного второго закона термодинамики, поскольку потеря тепла печью была бы равносильна потере энтропии[62], а второй закон запрещает снижение энтропии закрытой системы. (Сам пучок имеет нулевую энтропию.) Второй закон представляет собой основу термодинамики, и любое его нарушение приводит к появлению вечного двигателя, существование которого считается невозможным.

Еще один сценарий с участием отрицательной энергии тоже ведет к парадоксу – а именно, к существованию в пространстве кротовых нор, которые прославила Джоди Фостер в фильме «Контакт». Кротовые норы представляют собой гипотетические тоннели, или трубки, в пространстве, которые связывают отдаленные точки коротким путем. Если бы они действительно существовали, их можно было бы использовать в качестве машин времени. При определенных обстоятельствах астронавт, который прошел сквозь кротовую нору, вышел в отдаленной точке пространства и пошел обратно обычным путем, может вернуться домой еще до своего ухода! Следовательно, само существование кротовых нор ведет к парадоксу. Математические модели Кипа Торна и его коллег из Калифорнийского технологического института показали, что теоретически существование кротовых нор возможно, однако проходить по ним можно, только если возле их горловин будет создано некоторое отрицательное энергетическое состояние. Это необходимо, поскольку гравитация угрожает уничтожить кротовую нору, прежде чем через нее пройдет хоть что-то. Так как отрицательная энергия обладает отрицательной массой, она дает отрицательную гравитацию, противостоит пинч-эффекту и оставляет горловину открытой. Таким образом, неограниченная отрицательная энергия снова ведет к нефизичному парадоксу.

Хотя описанные парадоксы не по душе физикам-теоретикам, никто еще не доказал невозможность непрерывных потоков или ванн отрицательной энергии. Вопрос о том, могут ли, скажем, в квантовом вакууме храниться неограниченные запасы энергии, остается открытым.

Глава 9. Применение кванта

Надеюсь, теперь я убедил вас, насколько фундаментальна квантовая механика, которая лежит в основе столь многих областей современной физики и химии. Само собой, вы можете упрямиться и утверждать, что все это очень интересно, однако не имеет почти никакого отношения к повседневной жизни. В конце концов, мир наших ощущений и чувств слишком далек от всей квантовой странности, происходящей на микроскопическом уровне; вряд ли она может оказывать непосредственное влияние на нас. Так что в этой главе мы узнаем, как некоторые идеи квантовой физики, описанные на этих страницах, в последние полвека были использованы для разработки технологий, которые мы сегодня принимаем как должное.

К примеру, определенное свойство волновых функций электрона – а именно, их подчинение принципу исключения Паули – объяснило, как электроны располагаются на энергетических «оболочках» атомов, а это привело к пониманию электропроводности металлов. Это, в свою очередь, подтолкнуло физиков к изучению полупроводниковых материалов и изобретению транзистора, на основании которого впоследствии появились микрочип, компьютер и Интернет.

Более того, CD – и DVD-плееры используют соответствующее свойство фотонов, подарившее нам лазер – устройство, которое нашло применение во множестве технических, медицинских и научных сфер, не говоря уж о сфере развлечений и отдыха.

Феномен квантового туннелирования дал нам ядерную энергию и однажды, надеюсь, приведет к появлению более чистого источника бесконечной энергии – ядерного синтеза.

Еще одно странное квантовое свойство определенных материалов, охлажденных почти до абсолютного ноля, дало нам сверхпроводники, которые однажды могут предоставить нам окончательное решение для консервации энергии – силовые кабели с нулевым электрическим сопротивлением.

Вы правда думаете, что в радиоактивности нет ничего хорошего? А что, если я скажу вам, что она произвела революцию в медицине? И как, по-вашему, работает датчик дыма?

Список очень велик, но я остановлюсь только на нескольких наиболее важных технологиях, которые непосредственно основаны на квантовой механике.

Эпоха микрочипа

Сегодня кажется, что все, от автомобилей до стиральных машин, от кофеварок до музыкальных открыток, содержит в себе микрочип. Но вы хоть раз задумывались, как этот чип работает?