Содержание
Центральное уравнение квантовой механики, уравнение Шредингера, отличается от уравнений классической физики.
Чем больше физики понимали природу квантовой механики, тем более причудливой она становилась.
Возможно, самое странное в квантовом мире то, что исчезает само понятие объекта. За пределами мира молекул, атомов и элементарных частиц мы имеем очень четкое представление об объекте как о вещи, которую мы можем увидеть или потрогать. Это относится к двери, автомобилю, планете и песчинке. Если перейти на микроуровень, то эта концепция по-прежнему применима к клетке, вирусу и такой крупной биомолекуле, как ДНК.
Но именно здесь, на уровне молекул и расстояний меньше миллиардной доли метра, начинаются проблемы. Если мы продолжаем двигаться ко все меньшим и меньшим расстояниям и продолжаем спрашивать, что представляют собой существующие объекты, в дело вступает квантовая физика. “Вещи” становятся нечеткими, их формы неясными, а границы неопределенными. Объекты превращаются в облака, такие же неуловимые в своих очертаниях, как и слова для их описания. Мы все еще можем думать о кристаллах как об атомах, расположенных в определенном порядке – как всем знакомая кухонная соль, которая состоит из кубической решетки атомов натрия и хлора.
Но стоит погрузиться в сами атомы, и простые понятные картинки исчезнут как дым.
Квантовое колебание
Немецкий физик Вернер Гейзенберг объяснил эту нечеткость неотъемлемому свойству материи, которое он описал с помощью того, что он назвал принципом неопределенности. Говоря простым языком, этот принцип гласит, что мы не можем определить положение объекта с произвольной точностью. Чем больше мы пытаемся определить, где он находится, тем более неуловимым он становится, поскольку неопределенность в его скорости возрастает.
Этот эффект незначителен для крупных объектов, таких как человек, песчинка или даже крупная биомолекула. Но он становится решающим, когда мы рассматриваем такие объекты как атом или электрон. Мы можем с уверенностью сказать: “Да, моя ручка находится здесь, прямо передо мной на моем столе”. В действительности, даже это утверждение является приблизительным, поскольку все колеблется. Это колебание настолько ничтожно для больших объектов, что мы можем им пренебречь. Но оно определяет, что значит быть электроном, протоном или фотоном.
Такая нечеткость стала страшным ударом для многих архитекторов квантовой физики, включая Эрвина Шредингера, Альберта Эйнштейна, Макса Планка и Луи де Бройля. Эти блестящие физики были своего рода старой гвардией квантовой теории. Они изо всех сил старались вернуть в картину мироздания классические представления о детерминизме. Но электроны действительно перескакивают в атомах с одной орбиты на другую. И они не маленькие шарики, движущиеся вокруг атомного ядра, как Луна вокруг Земли. Теперь мы знаем, что это облака вероятности. Новая квантовая механика предсказывала вещи, но не определяла их.
Разочарование Шредингера вылилось в ссору, когда он посетил Нильса Бора в Копенгагене:
Шредингер: “Если мы все еще будем вынуждены мириться с этими чертовыми квантовыми переходами, то я сожалею, что вообще имел отношение к квантовой теории”.
Бор: “Но остальные из нас очень благодарны за нее, и ваша волновая механика в ее математической ясности и простоте является гигантским прогрессом по сравнению с предыдущими формами квантовой механики”.
Разочарование привело Шредингера к нервному срыву. И хотя миссис Бор проявила некоторое сострадание к Шредингеру, пока он лежал в постели, профессор Бор не выказал ни малейшего милосердия. Он продолжал бомбардировать ослабевшего Эрвина аргументами в пользу реальности квантовых переходов.
В конечном итоге, Бор и его последователи победили. Уютное, конкретное понятие объекта изменилось. Вместо этого укрепилось понятие нечеткого квантового объекта, хотя оно явно опирается на парадоксальное выражение. Квантовый объект является объектом только тогда, когда наблюдатели или их машины просят его быть таковым. Радикальные мыслители, такие как Паскуаль Джордан, утверждали, что квантовые вещи существуют только тогда, когда мы взаимодействуем с ними.
Причина загадки
Циник может отбросить все это как пустую трату времени. “Какая разница? Важно то, что мы наблюдаем в лаборатории, а не то, что что-то где-то “есть”, – могут сказать они. – Физика – это данные, а не метафизические домыслы”.
И наш циник будет прав. Если вам важны только данные, то не имеет значения, что происходит с электроном до того, как его обнаружит какой-то прибор. Математика квантовой механики работает невероятно хорошо, предсказывая, какими должны быть эти данные. Она не даст вам уверенности, но она даст вам надежные вероятностные предсказания.
Причина загадки заключается в том, что центральное уравнение квантовой механики, уравнение Шредингера, отличается от обычных уравнений, встречающихся в классической физике. Когда вы хотите вычислить путь, который пролетит камень при броске, уравнение Ньютона прекрасно описывает, как меняется положение камня во времени от его начального положения до конечной точки покоя. Можно было бы ожидать, что уравнение движения электрона также описывает изменение его положения во времени. Но ничего подобного.
Дело в том, что в уравнении Шредингера вообще нет электрона. Вместо него есть волновая функция электрона. Это квантовый объект, который заключает в себе нечеткость. Сама по себе она даже не имеет значения. А вот что имеет значение, так это ее квадратичное значение – абсолютное значение, поскольку она является сложной функцией.
Это значение определяет вероятность того, что электрон может оказаться в том или ином положении в пространстве, когда он будет обнаружен. Волновая функция представляет собой суперпозицию возможностей. В ней присутствуют все возможные пути, ведущие к различным результатам. Но как только производится измерение, преобладает только одно положение.
Существенная борьба в мире физики
В этом и заключается суть квантовой суперпозиции: она содержит все возможные исходы, каждый из которых с определенной вероятностью реализуется при измерении. Именно поэтому ученые говорят, что электрон находится “нигде” до того, как его измерят. Не существует уравнения, которое могло бы указать его точное местоположение. До измерения он находится везде, где только может быть, учитывая ограничения ситуации – такие факторы, как силы, взаимодействующие с ним, и количество измерений, в которых он движется. Квантовая механика рассказывает историю, которая имеет только начало и конец. Все, что находится в середине сюжета, размыто и не определено.
Тогда вопрос, что с этим делать. Мы можем занять позицию циника и принять прагматический подход, согласно которому все, что нас волнует, – это результат измерений. И надо сказать, многих физиков это устраивает. Но если вы верите, что наука должна глубже проникать в природу реальности, то вы захотите узнать больше.
Вы захотите убедиться, что за квантово-механическими вероятностями не скрывается никакой тайны. Вы захотите проникнуть глубже, надеясь найти скрытый источник квантовой нечеткости, причину этой очевидной потери детерминированности в физике.
Именно этого хотели Эйнштейн, Шредингер, де Бройль и позднее Дэвид Бом. Ставки были высоки – выяснить истинную сущность реальности. Тем временем Бор, Гейзенберг, Джордан, Паули и другие призывали принять странную природу квантов. Начиналась борьба между столкнувшимися мировоззрениями. Эта борьба продолжается и сегодня.
Читайте также: Инопланетяне могут посылать квантовые сообщения