Об удивительных открытиях квантовой физики, которые разрушают привычный образ реальности.
Сегодня открытия квантовой физики активно используются в повседневной жизни. Речь не только об атомных электростанциях и ядерном оружии, но и о компьютерах, гаджетах, полупроводниках, лазерах, бытовой технике, медицинских приборах. На квантовую теорию в своих исследованиях опираются астрофизики, космологи, химики, биологи, инженеры. Благодаря ей мы лучше понимаем историю и происхождение нашего мира и множество его аспектов.
По выражению автора книги, известного физика Карло Ровелли, сегодня квантовая механика — основа современной науки. Однако эта основа остается глубоко загадочной. Попытаться понять квантовую механику — означает заглянуть в бездну, увидеть, как знакомая нам реальность тает, а на смену ей приходят явления, не укладывающиеся в привычную логику.
Квантовая теория и открытия Эйнштейна разрушили господствовавший долгое время механистический взгляд на реальность, но новое представление о реальности так и не сформировалось окончательно. Данные наблюдений говорят о том, что отдаленные частицы действуют так, будто они связаны друг с другом, а материя вовсе не является чем-то твердым и определенным — она управляется призрачными волнами вероятности. Выводы из квантовой теории вызывают недоумение не только у обывателей, в свое время они озадачивали даже самых известных ученых, таких как Альберт Эйнштейн и Ричард Фейнман.
Большую роль в изменении нашего понимания мира сыграл молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг, который летом 1925 года спасался от сенной лихорадки на скалистом и продуваемом острове Гельголанд в Северном море (в переводе с нем. Священная земля), работая над идеями, которые, по выражению автора, произведут самую впечатляющую научную революцию всех времен.
Идея 1. На острове Гельголанд Гейзенберг заложил основу квантовой физики и выдвинул радикальную и очень странную идею, которая удивительно хорошо описывала наблюдаемое
В Гельголанде, где он мог наконец свободно дышать, Гейзенберг планировал заняться не дававшей ему покоя проблемой. Он хотел дать математическую основу странным правилам, разработанным известным физиком Нильсом Бором. Формулы Бора предсказывали свойства химических элементов еще до их измерения — частоту света при нагревании и цвет. Однако по формулам нельзя было определить другие параметры, например, интенсивность испускаемого света. Но главное — в формулах содержалось казавшееся абсолютно абсурдным допущение о том, что электроны в атомах вращаются вокруг ядра только по определенным орбитам, на определенных расстояниях от ядра и с определенными точными энергиями, а перемещаются они между орбитами, будто магически перепрыгивая с одной на другую, то есть совершая квантовый скачок.
Квантовые скачки хорошо предсказывали атомные явления, но их природа оставалась неясной. Было совершенно непонятно, какая сила вызывала эти квантовые скачки. Выдающиеся ученые более десяти лет ломали голову над вопросами о том, как внутри атома движутся электроны, почему они должны оставаться на определенных орбитах и как они перепрыгивают с орбиты на орбиту. В Гельголанде Гейзенберг тоже пытался понять механику квантовых скачков.
Там он выдвинул радикальную идею, которая вскоре полностью изменила физику, но в то же время была крайне простой. Он посчитал, что раз не получается найти силу, которая вызывает странное поведение электронов, то нужно прекратить ее поиски, и использовать знакомую силу — электрическую, связывающую электрон с ядром. Если мы не можем найти новые законы движения для объяснения квантовых скачков, то нужно придерживаться знакомых законов. Необходимо изменить само наше представление об электроне. Не нужно пытаться понять движение электрона, нужно сосредоточиться на описании наблюдаемого — частоты и амплитуды излучаемого электроном света в результате квантовых скачков.
На острове Гейзенберг обнаруживает математическую закономерность. Для описания квантовых скачков он разрабатывает таблицы — матрицы, описывающие любые возможные передвижения электрона, который уже не движется по орбитам, а перепрыгивает между ними. После возвращения Гейзенберга в Гёттинген, в Германию, доработать математический аппарат новой теории ему помогают его бывший профессор Макс Борн и ученик Борна Паскуаль Йордан. Примерно в то же время к этим же результатам своим путем пришел молодой англичанин Поль Дирак.
Новую теорию ждал триумф, когда она была подтверждена расчетами, выполненными гениальным швейцарским физиком Вольфгангом Паули. Вычисленные с помощью матриц Гейзенберга значения энергии соответствуют гипотезе Бора. Кроме того, в отличие от Бора, Гейзенберг может вычислить интенсивность излучаемого света, а ее значения точно совпадают с экспериментально полученными.
Странная и абсурдная идея Гейзенберга о том, что нужно ограничить себя только наблюдаемым, оказалась работающей. Она дает вычислять и предсказывать правильные результаты, но почему это происходит, так и остается неясным. Мы не можем описать, где находится электрон и что он делает, когда мы его не наблюдаем, мы можем говорить только о том, где он окажется.
Идея 2. Попытка Эрвина Шрёдингера объяснить противоречия квантовой теории с помощью представления электрона как волны не удалась, но она привела к новому пониманию и новым загадкам
Решить загадку о том, что делает электрон во время квантового скачка, в 1926 году попытался австрийский физик Эрвин Шрёдингер. Используя идею молодого французского ученого Луи де Бройля, который предположил, что электроны на самом деле могут быть не частицами, а волнами, подобными морским или электромагнитным волнам, Шрёдингер вычисляет те же значения, что и Гейзенберг, Борн и Йордан.
Шрёдингер считает, что траектории элементарных частиц являются приближениями, а в их основе волна, которую он обозначает, используя греческую букву пси (ψ). Поначалу идея рассматривать электронные частицы как волны кажется очень убедительной, ведь она помогает сгладить противоречия матричного подхода Гейзенберга. Однако Гейзенберг приходит к выводу, что кажущаяся ясность подхода Шрёдингера на самом деле обманчива — электрон не ведет себя как волна, рассеянная в пространстве. Когда мы его наблюдаем, мы видим его в конкретной точке. Спустя годы Шрёдингер признал, что его теория не может внести ясность в квантовую теорию и не устраняет вопрос наблюдаемого.