Мир очень, очень маленьких — это страна чудес странностей. Молекулы, атомы и составляющие их частицы не сразу раскрыли свои тайны ученым, занимавшимся физикой атомов в начале 20 века. Драма, разочарование, гнев, недоумение и нервные срывы были в изобилии, и нам сейчас, спустя целое столетие, трудно понять, что было поставлено на карту. То, что происходило, было непрерывным процессом разрушения мировоззрения. Возможно, вам придется перестать верить во все, что вы считали правдой в отношении чего-либо. В случае пионеров квантовой физики это означало изменение их понимания правил, определяющих поведение материи.

 

Энергия струн

В 1913 году Бор разработал модель атома, которая чем-то напоминала солнечную систему в миниатюре. Электроны двигались вокруг ядра атома по круговым орбитам. Бор добавил к своей модели несколько поворотов — поворотов, которые придали им набор странных и загадочных свойств. Повороты были необходимы для того, чтобы модель Бора обладала объяснительной силой, то есть чтобы она могла описывать результаты экспериментальных измерений. Например, орбиты электронов были зафиксированы, как железнодорожные пути вокруг ядра. Электрон не мог находиться между орбитами, иначе он мог бы упасть на ядро. Достигнув самой нижней ступеньки орбитальной лестницы, электрон остается там, пока не перепрыгнет на более высокую орбиту.

 

Ясность в том, почему это произошло, пришла с идеей де Бройля о том, что электроны можно рассматривать и как частицы, и как волны. Этот корпускулярно-волновой дуализм света и материи был поразительным, и принцип неопределенности Гейзенберга придал ему точность. Чем точнее вы локализуете частицу, тем менее точно вы знаете, как быстро она движется. У Гейзенберга была своя теория квантовой механики, сложное устройство для вычисления возможных результатов экспериментов. Это было красиво, но чрезвычайно сложно что-то вычислить.

 

Чуть позже, в 1926 году, австрийскому физику Эрвину Шрёдингеру пришла в голову грандиозная идея. Что, если бы мы могли написать уравнение того, что электрон делает вокруг ядра? Поскольку де Бройль предположил, что электроны ведут себя как волны, это будет похоже на волновое уравнение. Это была поистине революционная идея, переосмыслившая наше понимание квантовой механики.

 

В духе электромагнетизма Максвелла, описывающего свет как колебания электрического и магнитного полей, Шредингер разработал волновую механику, которая могла описать волны материи де Бройля. Одним из следствий идеи де Бройля было то, что если бы электроны были волнами, то можно было бы объяснить, почему разрешены только определенные орбиты. Чтобы понять, почему это так, представьте себе веревку, которую держат два человека, Ана и Боб. Ана быстро дергает его, создавая волну, движущуюся к Бобу. Если Боб делает то же самое, волна движется к Ане. Если Ана и Боб синхронизируют свои действия, появится стоячая волна, модель, которая не движется ни влево, ни вправо и имеет фиксированную точку между ними, называемую узлом. Если Ана и Боб двигают руками быстрее, они найдут новые стоячие волны с двумя узлами, затем с тремя узлами и так далее. Вы также можете генерировать стоячие волны, перетягивая гитарную струну с разной силой, пока не найдете стоячие волны с разным количеством узлов. Существует однозначное соответствие между энергией стоячей волны и количеством узлов.

 

Наследие рожденных

Де Бройль представил электрон как стоячую волну вокруг ядра. Таким образом, замкнутому кругу соответствовали бы только определенные вибрационные паттерны — орбиты, каждая из которых характеризуется заданным числом узлов. Разрешенные орбиты идентифицировались по количеству узлов электронной волны, каждый со своей определенной энергией. Волновая механика Шредингера объяснила, почему представление де Бройля об электроне как о стоячей волне было точным. Но они пошли гораздо дальше, обобщив эту упрощенную картину до трех пространственных измерений.

 

В серии из шести замечательных статей Шредингер сформулировал свою новую механику, успешно применил ее к атому водорода, объяснил, как ее можно применять для получения приближенных ответов в более сложных ситуациях, и доказал совместимость своей механики с механикой Гейзенберга.

 

Решение уравнения Шредингера было известно как волновая функция. Первоначально он думал об этом как об описании самой электронной волны. Это соответствовало классическим представлениям о том, как волны развиваются во времени, подчиняясь детерминизму. Зная их начальное положение и скорость, мы можем использовать их уравнение движения, чтобы предсказать, что произойдет в будущем. Шредингер особенно гордился тем фактом, что его уравнение восстановило некоторый порядок в концептуальном беспорядке, вызванном атомной физикой. Ему никогда не нравилась идея о том, что электрон «прыгает» между дискретными орбитами.

 

Однако принцип неопределенности Гейзенберга разрушил эту детерминистическую интерпретацию волновой функции. В квантовом мире все было размыто, и невозможно было точно предсказать временную эволюцию электрона, будь то частица или волна. Возник вопрос: тогда что означает эта волновая функция?

Физики пропали. Как можно согласовать корпускулярно-волновой дуализм материи и света и принцип неопределенности Гейзенберга с прекрасной (и непрерывной) волновой механикой Шредингера? Снова требовалась радикальная новая идея, и снова она у кого-то была. На этот раз настала очередь Макса Борна, который был не только одним из главных архитекторов квантовой механики, но и дедушкой рок-звезды 1970-х Оливии Ньютон-Джон.

 

Борн правильно предположил, что волновая механика Шредингера описывает не эволюцию электронной волны, а вероятность нахождения электрона в том или ином положении в пространстве. Решая уравнение Шредингера, физики рассчитывают, как эта вероятность изменяется во времени. Мы не можем с уверенностью предсказать, будет ли обнаружен электрон здесь или там. Мы можем только указать вероятность того, что он будет найден здесь или там, после того, как будет произведено измерение. В квантовой механике вероятность эволюционирует детерминистически в соответствии с волновым уравнением, а сам электрон — нет. Один и тот же эксперимент, многократно повторенный в одних и тех же условиях, может дать разные результаты.

 

Квантовая суперпозиция

Это довольно странно. Впервые в физике появилось уравнение, не описывающее поведение чего-то физического, принадлежащего объекту — например, положения, импульса или энергии шара или планеты. Волновая функция не является чем-то реальным в мире. (По крайней мере, для этого физика это не так. Вскоре мы обратимся к этому громоздкому вопросу.) Его квадрат — его абсолютное значение, поскольку это комплексная величина — дает вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства один раз. производится измерение. Но что происходит перед измерением? Мы не можем сказать. Мы говорим, что волновая функция представляет собой суперпозицию многих возможных состояний электрона. Каждое состояние представляет собой положение, в котором электрон может быть найден сразу после проведения измерения.

 

Возможно, полезный образ (все они сомнительны) — представить себя в темной комнате, идущим к стене, на которой висит много картин. Свет включается, когда вы достигаете определенного места на стене перед картиной. Конечно, вы знаете, что вы одинокий человек, идущий к одной из картин. Но если бы вы были субатомной частицей, такой как электрон или фотон, многие ваши копии одновременно шли бы к стене. Вы оказались бы в суперпозиции многих вас, и только одна копия достигла бы стены и заставила бы свет включиться. Каждая ваша копия будет иметь разную вероятность достижения стены. Повторяя эксперимент много раз, эти разные вероятности обнаруживаются.

 

Все ли копии, движущиеся в темной комнате, настоящие или только та, которая ударяется о стену и включает свет? Если только он настоящий, то почему другие тоже могли врезаться в стену? Этот эффект, известный как квантовая суперпозиция, пожалуй, самый странный из всех. Настолько странно и увлекательно, что заслуживает целой статьи.

Переведите "