Феномен: Игры киберразума
На фото: Туннельный эффект. Ячеистая структура в центре — это взбаламученная вода внутри воображаемого «кривого стакана» (или, говоря языком квантовой механики, «частицы в несимметричной потенциальной яме»). Расходящиеся по сторонам синие и красные сегменты показывают жидкость, просочившуюся вовне, то есть вероятность появления частицы в «запрещенных» классической физикой областях. Подобную модель можно представить себе в виде емкости, из которой прямо сквозь стенки вдруг просочилось содержимое
Одно из основных свойств микромира — дуализм его «обитателей»: волны могут быть одновременно частицами, а частицы — волнами. Увидеть воочию это явление мы, конечно, не можем. Наши тела слишком большие, а органы чувств грубы и неспособны различить отдельные кирпичики мироздания. Кажется вообще чудом, что законы, по которым движутся и взаимодействуют атомы и электроны, удалось выразить математически. Объекты квантовой механики идеальны для моделирования, а отсюда один шаг до их визуализации с помощью графических программ. И вот — физик становится художником и показывает нам фигуры и образы скрытого от нас мира.
Теоретически физика микромира проработана особенно тщательно. В основу данной области науки легла квантовая механика, которая предоставляет широкие возможности для математического моделирования. И когда на смену человеку рисующему пришел компьютер считающий, ученые получили поистине фантастический простор для создания картины невидимой ранее реальности.
За последние 15 лет компьютерное моделирование вышло на новый уровень. Программное обеспечение заметно эволюционировало в плане мощности и простоты обращения, графический интерфейс стал гораздо дружелюбнее к пользователю. Если раньше численное моделирование было немыслимо без привлечения профессиональных вычислителей и программистов, то появившиеся сейчас математические пакеты (Mathcad, Matlab, Mathematica и др.) позволяют физикам осуществлять расчеты самостоятельно. К этому стоит добавить создание мощных средств визуализации. Современная компьютерная графика и анимация позволяют рассчитать и нарисовать на экране монитора сцены из жизни микромира.
Образы, основанные на уравнениях Шредингера и Дирака, сродни работам абстракционистов — захватывающие, противоречивые и совершенно непонятные. Там нет ничего похожего на
предметы нашего повседневного мира. Обыденный язык бесполезен для описания этих картин, впрочем, как и для объяснения квантовой механики. Пока ученые сами не понимают, что же они видят на экране: реальные объекты или фантазии. Это дает некий повод назвать компьютерное моделирование искусством.
Кружение электронов в нанопроволочке (толщиной порядка 10-9 метра). Подобные устройства планируют применять в электронике, и при столь малых размерах волновая природа частиц становится существенной: она может улучшить или ухудшить работу микросхемы. На этом рисунке поток электронов начинается от «солнца» — места контакта проводников. Волновую природу электронов художник показал игрой цвета
Во многом непонятность и загадочность квантовомеханических картин проистекает из положения дел в современной физике, пока не прояснившей до конца природы элементарных частиц. Гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме частиц вещества впервые в 1924 году выдвинул французский ученый Луи де Бройль. Он утверждал, что электроны, атомы и их более сложные сочетания могут проявлять одновременно два свойства: быть волной и частицей. С одной стороны, электроны и атомы ведут себя как частицы: поглощаются и испускаются поштучно, обладают скоростью и импульсом. Но с другой — для них характерны признаки волнового процесса: дифракция и интерференция. В одних условиях проявляются их волновые свойства, в других — корпускулярные.
Эксперименты вскоре подтвердили идею де Бройля, и всем стало ясно, что дуализм — неотъемлемое свойство нашей Вселенной и его следует принять как реальный факт. Кстати, и большим телам можно приписать волну де Бройля, так что журнал, который вы держите в руках, в то же время — немного волна с определенной длиной. Только его волновые свойства могут проявиться на очень малых расстояниях, несоизмеримых с нашими возможностями.
Молекулы сталкиваются всегда и везде. Компьютерная модель изображает этот процесс изнутри: цветными нитями обозначены траектории отдельных атомов, входящих в состав молекул. Частицы летят сверху, сталкиваются в центре и разлетаются вниз, обменявшись энергией и импульсом
Читать дальше
