Джефф Форшоу - Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть

• Название: Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть
• Автор: Джефф Форшоу
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-00100-080-8

В этой книге авторитетные ученые Брайан Кокс и Джефф Форшоу знакомят читателей с квантовой механикой – фундаментальной моделью устройства мира. Они рассказывают, какие наблюдения привели физиков к квантовой теории, как она разрабатывалась и почему ученые, несмотря на всю ее странность, так в ней уверены.

Книга предназначена для всех, кому интересны квантовая физика и устройство Вселенной.

На русском языке публикуется впервые.

---

Не стоит беспокоиться по поводу отсутствия непосредственных способов почувствовать волновую функцию, в отличие от температурного поля. То, что мы не можем ее осязать, нюхать или видеть непосредственно, никакого значения не имеет. Честно говоря, мы бы немногого добились в физике, если бы решили ограничить себя описанием тех вещей во Вселенной, которые можем воспринимать непосредственно.

При обсуждении двухщелевого эксперимента с электронами мы говорили, что электронная волна будет самой большой там, где электрон находится с наибольшей вероятностью. Эта интерпретация позволила осознать, как полосатая интерференционная фигура может создаваться постепенно, точка за точкой, по мере прибытия электронов. Но сейчас это утверждение для наших целей уже недостаточно точное. Мы хотим знать, какова вероятность обнаружить электрон в конкретной точке; мы хотим измерить эту вероятность каким-либо числом. Здесь-то и возникает потребность в циферблатах, потому что та вероятность, которую мы хотим найти, не просто высота волны. Правильно будет интерпретировать квадрат длины стрелки как вероятность найти частицу в конкретном месте циферблата. Вот почему необходима та дополнительная гибкость, которую и дают циферблаты по сравнению с обычными числами. Эта интерпретация, разумеется, не совсем очевидна, и у нас нет хорошего объяснения ее правильности. Мы знаем, что она правильна, потому что ведет к предсказаниям, согласующимся с экспериментальными данными. Такая интерпретация волновой функции – один из самых трудных вопросов, с которыми сталкивались первопроходцы в области квантовой теории.

Волновая функция (то есть наш набор циферблатов) была введена в квантовую теорию серией работ, опубликованных в 1926 году австрийским физиком Эрвином Шрёдингером. Его статья, вышедшая 21 июня, содержит уравнение, которое должно накрепко засесть в голове у каждого студента-физика. Совершенно логично, что оно получило название уравнения Шрёдингера:

Греческая буква Ψ (произносится «пси») обозначает волновую функцию, и уравнение Шрёдингера показывает, как эта функция изменяется с течением времени. Детали уравнения не нужны для наших целей, потому что мы не собираемся использовать в книге подход Шрёдингера. Интересно, что, хотя Шрёдингер и записал правильное уравнение волновой функции, вначале он дал ему неверное толкование. Лишь Макс Борн, один из старейших на 1926 год физиков, работавших в области квантовой теории (он находился в почтенном возрасте 43 лет), дал верную интерпретацию уравнения в статье, вышедшей спустя всего четыре дня после работы Шрёдингера. О возрасте мы заговорили потому, что в середине 1920-х годов квантовая теория имела прозвище Knabenphysik – «мальчишеская физика», потому что многие из ее ключевых деятелей были молоды. В 1925 году Гейзенбергу было 23, Вольфгангу Паули, со знаменитым принципом которого мы встретимся позже, исполнилось 22, как и Полю Дираку, британскому физику, который первым вывел уравнение, верно описывающее электрон. Часто говорят, что молодость освободила их от старых способов мышления и позволила полностью отдаться радикально новой картине мира, которую предоставляла квантовая теория. В этой компании 38-летний Шрёдингер был стариком, и он действительно так до конца и не освоился с той теорией, в разработке которой сыграл ключевую роль.

Радикальная интерпретация волновой функции, за которую Борн получил Нобелевскую премию по физике в 1954 году, выглядела так: квадрат длины стрелки часов в определенной точке соответствует вероятности нахождения в ней частицы. Например, если длина часовой стрелки, находящейся в определенном месте, равна 0,1, то ее квадрат будет равняться 0,01. Это значит, что вероятность найти в этом месте частицу будет составлять 0,01, то есть одну сотую. Вы можете спросить, почему Борн просто не возвел в квадрат размеры циферблатов, чтобы в последнем примере длина стрелки часов сама приняла значение 0,01? Но это не сработало бы из-за необходимости расчета интерференции: если сложить значения циферблатов, то 0,01 плюс 0,01 даст 0,02, в то время как сложение 0,1 и 0,1 и последующее возведение суммы в квадрат даст 0,04.

Эту ключевую для квантовой теории идею можно проиллюстрировать еще одним примером. Допустим, мы делаем с частицей нечто, из-за чего она может быть описана с помощью конкретного множества циферблатов. Допустим также, у нас есть прибор, способный измерять местоположение частиц. Такое легко вообразимое, но не так уж легко конструируемое устройство может представлять собой, например, небольшой ящичек, который легко водрузить в любой области пространства. Если теория говорит, что шансы найти частицу в определенной точке равны 0,01 (потому что длина стрелки часов в этой точке составляет 0,1), то, устанавливая наш ящичек вблизи этой точки, мы имеем 0,01 вероятности найти в ящике нужную частицу. Это значит, что на самом деле вряд ли в ящике что-то окажется. Однако если воссоздать эксперимент так, чтобы частица снова описывалась тем же самым набором циферблатов, повторять его можно сколько угодно раз. И теперь из каждых 100 наших заглядываний в ящичек мы в среднем один раз будем обнаруживать в нем частицу – остальные 99 раз ящичек будет пуст.

Интерпретация квадрата длины часовой стрелки как вероятности найти частицу в определенном месте на вид не так уж сложна, но действительно кажется, что мы (или, точнее говоря, Макс Борн) взяли ее с потолка. На самом деле в исторической перспективе оказалось, что даже таким величайшим ученым, как Эйнштейн и Шрёдингер, было трудно принять подобное толкование. Через 50 лет после лета 1926 года Поль Дирак вспоминал: «Проблема правильного истолкования оказалась гораздо сложнее, чем просто вывести уравнения». Несмотря на всю эту сложность, стоит отметить, что к концу 1926 года спектр света, испускаемого атомом водорода, который стал одной из величайших загадок физики XIX века, уже вычислили с помощью уравнений как Гейзенберга, так и Шрёдингера (Дирак со временем доказал, что оба этих подхода во всех случаях совершенно эквивалентны).

Известны возражения Эйнштейна против вероятностной природы квантовой механики, которые он в декабре 1926 года высказал в письме к Борну: «Теория говорит очень много, но на деле не приближает нас к тайне Старика. В любом случае я убежден, что Он не играет в кости». Проблема в том, что до этого времени считалось, будто физика имеет полностью детерминистский характер. Конечно, идея вероятности характерна не только для квантовой теории. Она регулярно применяется во множестве ситуаций – от ставок на бегах до термодинамики, которой занимались лучшие умы еще в Викторианскую эпоху. Но причиной использования этих вероятностей были не фундаментальные законы, а как раз недостаток знаний о соответствующей сфере.

Возьмем подбрасывание монетки – архетипическую игру случая. Все мы знакомы с вероятностью в этом контексте. Если мы подбросим монетку 100 раз, можно ожидать, что в среднем 50 раз выпадет орел и 50 раз решка. До квантовой теории мы обязаны были бы сказать, что, обладая всеми необходимыми данными о монете – о точном способе ее подбрасывания в воздух, силе притяжения, о воздушных потоках, проходящих через комнату, температуре воздуха и т. д., – мы могли бы в принципе предсказать, что выпадет – орел или решка. Появление вероятностей в этом контексте, таким образом, можно считать отражением недостатка знаний о системе, а не чем-то внутренне присущим самой этой системе.

Вероятности в квантовой теории имеют совершенно иную природу; они фундаментальны. Мы можем предсказать лишь вероятность появления частицы в определенном месте, и не потому, что мы невежественны. Мы даже в принципе не можем предсказать, каково будет положение частицы. Что мы можем предсказать, да еще и с абсолютной точностью, так это вероятность того, что частица окажется в определенном месте, если мы будем ее там искать. Более того, мы с абсолютной точностью можем предсказать, как эта вероятность изменится со временем. Борн прекрасно высказался об этом еще в 1926 году: «Частицы движутся по законам вероятности, но сама вероятность распространяется по закону причинности». Именно об этом идет речь и в уравнении Шрёдингера: оно позволяет точно вычислить, как будет выглядеть волновая функция в будущем, если знать ее вид в прошлом. В этом смысле оно аналогично законам Ньютона. Разница в том, что если законы Ньютона позволяют вычислить положение и скорость частиц в любое конкретное время в будущем, то квантовая механика позволяет вычислить лишь вероятность того, что они будут находиться в определенном месте.