О. Деревенский - Фокусы-покусы квантовой теории

• Название: Фокусы-покусы квантовой теории
• Автор: О. Деревенский
• Жанр: Физика

Квантовая теория приводит в трепет даже многих физиков. Ох, как они горды тем, что всякие там доморощенные опровергатели основ суются со своими умничаниями в самые разные области – и в классическую механику, и в электродинамику, и, в особенности, в теорию относительности – но никто не покушается на квантовую теорию! «Даже этим олухам ясно, - веселятся академики, - что без квантовой теории люди бы до сих пор жили в пещерах и бегали с каменными топорами!» Без квантовой теории, мол, не было бы лазеров – а без лазеров, девочки и мальчики, не было бы у вас таких балдёжных дискотек! Без квантовой теории, мол, не было бы понимания того, как движутся электроны в металлах и полупроводниках – а без этого понимания, девочки и мальчики, не было бы у вас ни компьютеров, ни мобильных телефончиков!

 Откуда девочкам и мальчикам знать, что всё это – шутки? Лазеры, компьютеры, мобильные телефончики – своим появлением они вовсе не обязаны квантовой теории. Эти и целый ряд других примечательных технических устройств были созданы исключительно на основе экспериментальных и технологических прорывов. А то, что называется квантовой теорией – это просто пачка изысканных математических процедур, с помощью которых задним числом описывали эмпирические факты из жизни микромира.

---

Между прочим, такая эквивалентность, или, как выражался Шрёдингер, «формальная тождественность» матричного и волнового подходов, выглядела, на первый взгляд, чем-то совершенно невероятным, ведь эти два подхода были диаметрально противоположны – и неспроста сторонники этих двух подходов смотрели друг на друга, как солдаты на вошь. У Гейзенберга был формально-математический подход, изначально базировавшийся на идее о дискретности, и здесь отправным понятием была «частица». У Шрёдингера же подход был основан на дифференциальных уравнениях, работавших в классической механике сплошных сред, и здесь отправным понятием была «волна». Но, несмотря на такую противоположность, оба этих подхода пытались сделать одно и то же: подмять под себя корпускулярно-волновой дуализм – только с разных сторон – а он, понимаете, не поддавался ни тому, ни другому. Противоречия, вшитые в этот дуализм, не сглаживались, а только обострялись, и понимание того, что же происходит в микромире, так и не приходило. Вот, посудите сами, до чего порой доходил накал драматизма. Летом 1926 г. на Мюнхенском семинаре Шрёдингер так красиво рассказал про свою волновую механику, что очаровал почти всех – слушатели заговорили о том, что с квантовыми скачками покончено! Гейзенберг, само собой, расстроился. И написал письмо Бору – о том, какие тут дела творятся. Ну, и пригласил это Бор Шрёдингера на пару недель к себе в Копенгаген – за жизнь поговорить. Гейзенберг тоже подъехал – интересно же. Разговоры «за жизнь» начались ещё на вокзале. Шрёдингер нападал на квантовые скачки и доказывал, что это – чушь несусветная, а Бор разъяснял, что без этой несусветной чуши всё равно не обойтись. И это продолжалось ежедневно с раннего утра до позднего вечера. Через несколько дней в таком режиме, Шрёдингер свалился с горячкой. «Фрау Бор ухаживала за ним, приносила чай и сладости, - вспоминал Гейзенберг, - но Нильс Бор сидел на краешке кровати и внушал Шрёдингеру: «Вы все-таки должны понять, что…» - ну, и далее, что он там должен был понять.

Даже Гейзенберга дискуссии с Бором приводили «почти в отчаяние», и его мучил вопрос: «действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстаёт перед нами в этих атомных экспериментах». Ну, конечно! Абсурдной, мол, может быть только природа, а теория абсурдной быть не может! Небось, Гейзенберга не мучил вопрос: «Зачем было приписывать электронам волновые свойства, которых у них нет?» А ведь их нет: на то, что Дэвиссон и Джермер имели дело отнюдь не с дифракцией электронов, неоднократно указывали разные исследователи, повторявшие их опыт. Но куда там! Теоретикам до безумия хотелось, чтобы волновые свойства у электронов были. Мол, так – гораздо красивее! С голой попой, но в брюликах-то! Только брюлики-то оказались фальшивые…

А, может, всё гораздо проще? Если осознать, что вещество на фундаментальном уровне дискретно не только в пространстве, но и во времени! Смотрите: элементарная частица – это квантовый пульсатор, т.е. циклическая смена, с характерной частотой, двух состояний. Здесь хорошей аналогией является пиксель на мониторе, который циклически то светится, то не светится. Даже дети догадываются, что подобная штуковина и передвигаться может только скачкообразно. Тут-то и стало бы ясно, почему для микромира не годятся уравнения классической механики – в которых всё плавненько и непрерывненько.

Но – нет! Допускать квантовые пульсации было никак невозможно. Это сразу сколько бы дурацких вопросов возникло! Откуда эти квантовые пульсации берутся? Чем определяется их частота? Вы нам, мол, аналогию с пикселями на мониторе не подсовывайте! Пиксель мигает, потому что так сделано. Но электроны-то, по высоконаучным раскладам, не могут быть сделанными! Они появились на свет божий не иначе как своими собственными силами! Ну, прелесть просто: непрерывный во времени шарик с характерным объёмом, в котором сосредоточена масса, способная лезть в дурную релятивистскую бесконечность, и по которому как-то размазано хрен знает что, называемое электрическим зарядом – да со спином в придачу, который вообще не имеет наглядных представлений. Вот это, мол, по-нашему – и без дурацких вопросов!

Впрочем, один вопрос оставался: почему в камере Вильсона классическая траектория электрона, казалось бы, предстаёт во всей своей красе, а в атоме электрон ведёт себя совершенно не классически? Правда, никто не видел, как он там себя ведёт, как он там движется – и движется ли он там вообще! – но, судя по тому, как атомы излучали и поглощали, было бессмысленно использовать для атомарного электрона такие классические понятия как «положение», «скорость», «орбита». Пикантность ситуации заключалась вот в чём: те квантово-механические дебри, которые, на взгляд теоретиков, адекватно описывали внутренние атомные дела, работали в абстрактных многомерных пространствах и использовали некоммутирующие величины – поэтому они были принципиально несовместимы с классическими интуитивными пространственно-временными представлениями. Но, видите ли, других пространственно-временных представлений в наших бестолковках нет. Поэтому, когда даже иные продвинутые теоретики пытались въехать, со своей классической интуицией, в квантово-механическую область, результаты неизменно получались плачевные. Чтобы обрести утешение, можно было, например, сдвинуть себе крышу так, чтобы переделать свои пространственно-временные представления под квантово-механические понятия. Целые научные школы пошли по этому пути, страшно гордясь тем, что их ученики обретали возможность квалифицированно рассуждать о том, чего даже не могли себе представить. Дискуссия с этими детьми научного прогресса была заведомо дохлым номером…

Чтобы не остаться не у дел, Гейзенберг предложил, ладно уж, сохранить классические пространственно-временные представления, но установить предел, до которого они работают. Роль этого предела и играли соотношения неопределённостей. «Точнее, чем задают соотношения неопределённостей, о траекториях частиц говорить не имеет смысла, - объяснял Гейзенберг. – Поэтому и не говорите. Наплюйте, и ваш сон сразу нормализуется!» - «Как это – наплюйте? – не унимались коллеги. – Одно дело, если в каждый момент точные положения и импульс у частицы есть, но мы их не можем точно измерить. И другое дело, если их на самом деле нет. Так как же?» - «А какая разница, - растолковывал Гейзенберг, - если эти два случая всё равно неразличимы на опыте? Кстати, об опыте. Результаты измерений, производимых над микрообъектом, непременно выражаются на классическом пространственно-временном языке, но микрообъект-то ведёт себя принципиально иначе! Значит, только измерения и порождают ту реальность в микромире, которую мы можем переварить! А вы пристаёте с вопросом – «а что там на самом деле»! Когда никаких измерений не производится! Проспитесь, и всё пройдёт!» Отсюда оставался один шаг до жемчужины квантовой механики – т.н. вероятностной интерпретации.

Надо сказать, что ещё несколько раньше отличился Борн, подсобив Шрёдингеру с физическим смыслом волновой функции. По Борну, квадрат амплитуды волновой функции описывает распределение вероятности пребывания электрона в различных точках пространства – в частности, в различных точках внутри атома. Над борновской трактовкой даже историки хихикают: она основана на классическом представлении о локализации частицы, о её «положении» - а ведь всем разъяснили уже, что внутри атома классические представления не работают! Хоть говори, мол, хоть не говори – всё равно полезут с классическим рылом в квантовый ряд!.. Да, но давайте же заметим, что есть у борновской трактовки и достоинства: она ведь столько радости плутишкам принесла! Это благодаря ей, для атомарного электрона было окончательно отброшено классическое понятие «орбита», и введено квантовое понятие «орбиталь», или «электронное облако», по которому электрон как-то там размазан – в согласии с тем самым распределением вероятностей. Каким образом электрон в атоме движется, будучи размазнёй – над этим вопросом наука больше не мучается. Раньше хоть какие-никакие центробежные силы удерживали электрон от падения на ядро. А теперь, в случае с размазнёй и с отсутствием классического движения, центробежные силы превратились в полную бессмыслицу. Что же удерживает электронное облако от схлопывания на ядро? К такому вопросу академики готовы. «Один дурак может задать столько вопросов, - подмигивают они, - что десять институтов их за десять лет не разгребут!» Вот так у них: с шуточками, с прибауточками! Ну, а если серьёзно? «А если серьёзно, - поднимают они пальчик кверху, - то зачем электронному облаку схлопываться? Орбиталь такая, и всё тут!» Да… с умным видом дурачками прикинулись, и враз отпала необходимость объяснять, почему кулоновское взаимодействие зарядов в атоме не работает. Это какая же гора с плеч свалилась!