Так почему бы нам не проделать коронный номер электрона? Кажется, что, как только объект становится достаточно большим, он теряет свои квантовые свойства – этот процесс известен как декогеренция (см. главу 7). В основном это связано с тем, что более крупные объекты взаимодействуют с окружением, заставляющим занять то или иное положение. Эрвин Шрёдингер отлично продемонстрировал абсурдность суперпозиции на больших масштабах с помощью эксперимента с котом, который и жив, и мертв одновременно и чья судьба зависит от распада радиоактивного атома – случайного квантового процесса.
Волновое уравнение Шрёдингера
В 1926 году Эрвин Шрёдингер выдвинул идею о том, что все квантовые частицы – от атомов до электронов – можно описать неосязаемыми сущностями, распространяющимися в пространстве подобно ряби на поверхности озера. Он назвал их волновыми функциями, которые четко объяснили, почему у электронов в атомах именно такие значения энергии, а не какие-то другие.
Все волны можно описать математически. Например, распространяющаяся по пруду рябь – это возмущение на воде; ее волновая функция описывает форму ряби в любой точке и в любой момент времени, тогда как нечто, называемое волновым уравнением, предсказывает движение ряби. Из труда де Бройля Шрёдингер понял, что у каждой квантовой системы есть связанная с ней волновая функция, хотя он затруднялся объяснить, что является возмущением в случае атома или электрона. Несмотря на это, работа Шрёдингера привела к радикально новой картине квантового мира как места, где определенности уступают дорогу вероятностям.
Волновая функция Шрёдингера является в этой картине центральным элементом, поскольку в ней закодированы все возможные варианты поведения квантовой системы. Изобразим простой случай атома, летящего в пространстве. Это квантовая частица, так что вы не можете сказать с уверенностью, куда он полетит. Если же вам известна его волновая функция, то с ее помощью можно просчитать вероятность нахождения атома в любом месте, каком вы пожелаете.
Квантование
Макс Планк в 1900 году впервые показал, что с математической точки зрения энергия испускается излучающим телом не непрерывно, а неделимыми порциями. Пять лет спустя Эйнштейн продемонстрировал, что свет состоит из дискретных квантов, подобных частицам, которые он назвал фотонами. И это было только начало. По мере того, как квантовая теория развивалась, становилось ясно, что не только энергия, но и многие другие свойства, например электрический заряд и спин, появляются в единицах минимального размера. Но никто не знает, почему так происходит.
Вероятность
Вероятности в классической и в квантовой физике – это совершенно разные вещи. В классической физике они представляют собой «субъективные» величины, которые меняются вместе с нашими знаниями. Вероятность того, что, например, подбрасывание монеты приведет к выпадению орла или решки, скачком меняется от 1/2 к 1, когда мы наблюдаем исход. Если бы было существо, знающее положения и импульсы всех частиц, – названное «демоном Лапласа» в честь французского математика Пьер-Симона Лапласа (1749–1827), первым смирившегося с вероятностью, – оно определило бы развитие всех последующих событий в классической Вселенной и для их описания ему бы не понадобилась вероятность.
В квантовой физике, однако, вероятность появляется из подлинной неопределенности относительно устройства мира. Состояния физических систем в квантовой теории представлены в каталогах информации, как назвал их Шрёдингер, но добавление в них информации на одной странице размывает или стирает ее вовсе на другой. Более точные данные о положении частицы делают менее точными данные о том, как, например, она движется. Квантовые вероятности «объективны» в том смысле, что они не могут быть полностью устранены получением большего количества информации.
Спин
Спин – это понятие, ускользающее от понимания. Данное квантовое свойство многих видов частиц, включая электроны, было впервые предложено в начале 20-х годов XX века австрийским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули. Его сила воли была такова, что порождала слухи, будто он заставил опыты окончиться неудачей, просто оказавшись рядом с местом их проведения. Со спином это не понадобилось. Свойство спина становится заметным при наблюдении потока электронов, проходящих сквозь неоднородное магнитное поле. Частицы отклоняются в противоположных направлениях, казалось бы, случайным образом и так, будто у каждой из них есть свое внутреннее вращение, которое каким-то образом «улавливается» магнитным полем, благодаря чему и происходит отклонение от курса.
Неопределенность
Загадкой, над решением которой Бор и его студент Гейзенберг ломали головы зимой 1926–1927 годов, были следы из капелек, оставляемые электронами при прохождении через пузырьковую камеру – прибор, используемый для слежения за движением заряженных частиц. Попытка Гейзенберга рассчитать эти на первый взгляд четкие траектории с помощью уравнений квантовой механики оказалась неудачной.
Как-то вечером в середине февраля Гейзенберг вышел на прогулку и к нему пришло озарение. Трек электрона был совершенно нечетким: при более близком рассмотрении становилось видно, что он состоял из набора размытых точек. Это выявило нечто фундаментальное в квантовой механике. Гейзенберг увлеченно изложил свою идею в письме коллеге-физику Вольфгангу Паули, а ее основной смысл описал в статье несколько недель спустя: «С чем большей точностью определено положение, тем менее точно в этот момент известен импульс, и наоборот». Так появился на свет знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга. Это утверждение о принципиальной непознаваемости квантового мира занимало твердую позицию бóльшую часть века.
Глубокие следствия принципа неопределенности трудно переоценить. Возьмем, например, нашу классическую, работающую как часы Солнечную систему. Имея точные знания о положении и движении ее планет и других тел в данный момент времени, мы можем почти идеально предсказать их точное положение и движение в любой последующий момент времени. В квантовом мире, однако, неопределенность опровергает любые подобные идеи совершенного знания, полученного посредством измерений. Наличие пар «дополняющих друг друга» величин, таких как положение и импульс, где точное знание одной делает невозможным знание другой с любой точностью, также подрывает любую концепцию предсказываемых причинно-следственных связей. Не обладая полными и точными знаниями о настоящем, невозможно прогнозировать будущее.
Нечеткая логика
В статье 1927 года, представившей миру принцип неопределенности, Вернер Гейзенберг установил, что в квантовом мире имеются пары физических величин, которые нельзя одновременно измерить на произвольном уровне точности.
Одну такую пару образуют положение и импульс, по сути являющиеся мерой движения квантовой частицы. Если вы знаете координату частицы x с определенной погрешностью Δx, то можете описать неопределенность Δp ее импульса p математическим неравенством Δx∙ Δp≥ ħ/2. Здесь ħ — постоянное число природы, известное как приведенная постоянная Планка. Согласно неравенству результат умножения Δx и Δp не может быть меньше ħ/2: то есть чем больше мы знаем о том, где частица находится (чем меньше Δx), тем меньше мы можем знать о том, насколько быстро она движется (тем больше Δp), и наоборот.
