Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

поставим другой эксперимент: проверить, не обладают ли электроны волновыми свойствами (такими как дифракция, рефракция или волновая интерференция), то увидим, что они ведут себя как волны. Дело только в том, что мы не можем осуществить эксперимент, который продемонстрировал бы корпускулярные и волновые свойства электронов одновременно. Здесь абсолютно необходимо подчеркнуть, что, хотя квантовая механика позволяет довольно точно предсказать исход таких экспериментов, она не говорит нам самого главного: что же представляет собой электрон. Она позволяет нам только описать то, что мы видим, когда ставим определенный эксперимент для его исследования. Единственная причина того, что физики больше не сходят с ума от этой двойственности, – это то, что мы научились с этим жить. Этот баланс между тем, сколько мы можем одновременно знать о корпускулярной природе частицы (ее положении в пространстве) и ее волновой природе (с какой скоростью она движется), регулируется принципом неопределенности Гейзенберга, который считается одной из важнейших научных идей, лежащей в основе квантовой механики.

Принцип неопределенности налагает ограничения на то, что можно наблюдать и измерить, однако многие люди, даже некоторые физики, склонны неверно понимать этот принцип. Несмотря на то что вы прочитаете в учебниках физики, формально квантовая механика нигде не утверждает, что электрон не может иметь одновременно определенное положение и определенную скорость, она лишь говорит, что мы не можем знать оба параметра одновременно. Связанная с этим распространенная ошибка заключается в том, что человеку в квантовой механике якобы принадлежит какая-то особая роль: наше сознание может влиять на квантовый мир или даже порождать его при попытках провести в нем какие-то измерения. Это ерунда. Наша Вселенная, вплоть до самых элементарных строительных блоков на квантовом уровне, существовала задолго до возникновения Земли – она не пребывала в некоем неопределенном состоянии летаргического сна в ожидании того момента, когда наконец явимся мы, измерим ее и превратим ее в реальность.

К середине 20-х годов физики начали понимать, что концепция квантизации носит более общий характер, чем просто противопоставление «комковатости» и «волнистости» материи. Многие физические свойства, которые мы всегда считали непрерывными, на самом деле дискретны (то есть имеют скорее цифровую, чем аналоговую природу), что становится ясно, как только вы увеличиваете масштаб до субатомного. Например, электроны, связанные друг с другом внутри атома, «квантизируются» в том смысле, что они могут обладать только определенным количеством энергии и никогда не будут обладать энергией, объем которой попадает между значениями этих дискретных величин. Не обладай электроны таким свойством, они бы беспрерывно теряли энергию при движении[20], что означало бы дестабилизацию атомов. А в этом случае сложная материя, включая жизнь, не существовала бы. Согласно электромагнитной теории XIX века (доквантовой эпохи) отрицательно заряженные электроны должны двигаться по спирали по направлению к положительно заряженному ядру атома. Но этому препятствует квантизированные энергетические уровни. Специальные квантовые законы также определяют, какие энергетические состояния занимают электроны и как они располагаются вокруг ядра. По сути, законы квантовой механики регулируют то, как атомы могут связываться друг с другом, образуя молекулы, что делает квантовую механику основой химии.

Электроны могут перескакивать с одного энергетического уровня на другой, испуская или поглощая соответствующее количество энергии. Испустив квант электромагнитной энергии (фотон), в точности равный разности энергий между двумя состояниями, они могут опуститься на более низкий уровень. Точно так же, поглотив фотон с соответствующей энергией, они могут подняться на более высокий уровень.

Итак, субмикроскопический мир, в масштабе атомов и мельче, ведет себя совсем по-иному, нежели мир, который мы наблюдаем невооруженным глазом. Когда мы описываем динамику чего-то вроде маятника или теннисного мячика, велосипеда или планеты, мы имеем дело с системами, состоящими из триллионов атомов, которые очень далеки от квантового мира. Это позволяет нам изучать то, как ведут себя эти предметы, в терминах классической механики и ньютоновских уравнений движения, решение которых дает нам данные о точном местоположении предмета, энергии или движении, причем все эти данные можно получить одновременно для каждого момента времени.

Но если мы хотим исследовать материю в квантовых масштабах, придется пренебречь механикой Ньютона и пользоваться совершенно иным математическим аппаратом квантовой механики. В общем случае нам пришлось бы решить уравнение Шредингера и рассчитать величину, называемую волновой функцией, которая характеризует не то, каким образом отдельная частица движется по определенной траектории, а то, как развивается во времени соответствующее квантовое состояние. Волновая функция может характеризовать состояние отдельной частицы или группы частиц, которое дает нам возможность, например, найти электрон с определенным набором свойств или местоположением в пространстве, если бы нам надо было это свойство измерить.

Часто ошибочно считают, что, поскольку волновая функция имеет одно значение более чем в одной точке пространства, сам электрон в те моменты, когда мы не замеряем его параметры, физически «размазан» в пространстве. Однако квантовая механика не говорит нам о том, чем занимается электрон, когда мы на него не смотрим, – она говорит только о том, чего можно ожидать, когда мы на него наконец посмотрим. Если это утверждение вас не вдохновляет, то в этом вы не одиноки. Оно и не имеет целью вдохновить вас (или наоборот); это просто утверждение, которое среди физиков, по счастью, не вызывает разногласий.

Существует множество различных способов понимания явлений квантового мира. Они известны как интерпретации квантовой механики, а споры между защитниками различных взглядов не утихают все время и вряд ли когда-нибудь угаснут.

Что все это значит

Несмотря на потрясающие достижения квантовой механики, если немного внимательнее взглянуть на то, что мы узнаем о микрокосме, можно легко сойти с ума. Мы спрашиваем себя: «Ну как же так? Может, что-то до меня просто не доходит?» По правде говоря, никто этого наверняка не знает. Мы даже не знаем, может ли еще что-то до нас «дойти». Физики обычно употребляют для описания квантового мира термины вроде «странный», «причудливый» или «контринтуитивный». Ибо, несмотря на то что сама теория поразительно точна и логична с математической точки зрения, все ее численные величины, символы и прогностическая сила – всего лишь фасад, за которым скрывается реальность, и с ней нам чрезвычайно трудно согласовать наш опыт и здравый взгляд на окружающий мир.

Однако из этого тупика есть выход. Поскольку квантовая механика так замечательно объясняет субатомный мир и поскольку она построена на таком совершенном