Квантовая механика: теория, которую никто не может понять

Квантовая механика: теория, которую никто не может понять

Кот Шрёдингера

Электрон как обман трудящихся

В XX веке физики вернулись к вроде бы давно забытому Аристотелю. Для великого учёного Античности были характерны рассуждения типа: "Облака поднимаются вверх, потому что это им свойственно". Несколько столетий спустя великий физик Макс Планк заявил, что электрон не падает на ядро атома, потому что траектория его орбит так уж устроена - есть разрешённые орбиты, а есть запрещённые. Что касается электрона, то ясности в отношении него не прибавилось и в начале XXI века. Академик Людвиг Фадеев, самый цитируемый российский учёный, жёстко заявляет, что невозможно сказать, как выглядит электрон и как он «летает» вокруг ядра, просто есть математическое описание, довольно точное, а как на самом деле всё устроено, неизвестно.

В начале XX века француз Луи де Бройль придумал так называемый волновой дуализм, то есть, по его мнению, если говорить о законах микромира, то все обитающие там частицы – фотоны или электроны – имеют двойную природу – они и частицы, и волны. На что гениальный советcкий физик Лев Ландау заметил: «И волна, и частица – это обман трудящихся!»

[?]А ведь в конце XIX века казалось, что здание физической науки построено полностью и окончательно. Эрнест Резерфорд построил планетарную модель атома, которую и сейчас учат школьники. Если бы дело происходило в какой-нибудь Древней Греции, то чувства глубокого удовлетворения хватило бы учёным лет на пятьсот, не меньше. Но, к сожалению или к счастью, к XX веку был уже создан мощнейший экспериментальный и теоретический инструментарий, и научный поиск остановить было невозможно.

На квантовые эффекты наткнулись, изучая излучение так называемых чёрных дыр. Это астрономические объекты с громадной плотностью и такой гигантской силой притяжения, что, казалось бы, излучение такой дыры не может вырваться наружу. А на поверку выходило совсем не так. Учёные всего мира ломали головы, как бы объяснить непонятное поведение чёрных дыр. Из тупика их вывел Макс Планк, немецкий физик, ставший родоначальником квантовой механики.

На заседании Немецкого физического общества Макс Планк зачитал свою историческую статью «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре», в которой он ввёл универсальную постоянную «h». Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, считают днём рождения квантовой физики.

Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для случая элементарных частиц любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Когда электрон спокойно крутится на какой-то орбите, то он ничего не излучает. Когда же перескакивает с орбиты на орбиту, то излучает кванты энергии. Вот за открытие этих квантов энергии Планку позднее присудили Нобелевскую премию.

Квант энергии, или квант действия, был назван постоянной Планка и обозначается буквой «h». Постоянная Планка отражает глубинное строение Вселенной и носит универсальный характер. Теория Планка безошибочно описывала события микромира, несмотря на противоречие привычному здравому смыслу.

Уже в наше время стало ясно, что весь этот разговор об орбитах не имеет никакого отношения к квантовой действительности. Однако энергия заблуждения толкала физиков к дальнейшему изучению квантового мира, тем более что открытые Максом Планком странности микромира настолько озадачили величайших физиков, что они целые конференции и семинары посвящали яростным спорам о том, как устроена Вселенная, и «играет ли Господь Бог в орлянку» или нет. Именно об этом спорили между собой два великих физика – Эйнштейн и Нильс Бор. А великий советский физик Лев Ландау во время своей зарубежной командировки курсировал между двумя великими спорщиками и по просьбе Бора пытался убедить Эйнштейна, что тот не прав. Эйнштейн построил свою теорию относительности как гармоническое продолжение классической физики, а квантовая физика Планка и Бора её если не ломала, то жёстко ограничивала. Всю оставшуюся жизнь Эйнштейн посвятил попыткам создания Общей теории поля, то есть некоей объединительной модели, которая могла бы снять противоречия теории относительности и квантовой механики. Но у него ничего не вышло. Возможно, по этой причине он скверно вёл себя со своими близкими, особенно с женщинами.

Эйнштейн упорно считал, что квантовая механика или неверна, или по крайней мере неполна, что она «не может служить удовлетворительным исходным пунктом для дальнейшего развития».

В 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», в которой описал мысленный эксперимент. Впоследствии он был назван парадоксом Эйнштейна – Подольского – Розена, сокращённо ЭПР.

Нильс Бор, который трактовал законы квантовой механики как вероятностные (по этому поводу Эйнштейн и острил, что Бог не станет кидать монету, чтобы определить, куда лететь электрону), и такой подход назвали копенгагенской трактовкой, так как Бор был родом из Дании.

Бор ответил Эйнштейну своей статьёй с точно таким же названием, но противоположной по смыслу.

С тех пор много раз ставились натурные эксперименты, моделирующие ЭПР-парадокс, которые были должны или подтвердить, что законы квантового мира вероятностны, или опровергнуть Бора и доказать их детерминированность, то есть подтвердить правоту Эйнштейна. И каждый новый эксперимент, всё более и более точный, то опровергал, то подтверждал правоту одной из сторон.

Молодой французский учёный-оптик Алан Аспе поставил удивительный эксперимент, результаты которого просто невероятны.

Представьте себе, что вы посылаете из Москвы две телеграммы. Одну в Копенгаген, Нильсу Бору, другую в Берлин, Максу Планку. В момент получения телеграммы Макс Планк каким-то чудом узнаёт, что Нильс Бор в Копенгагене (а до него расстояние дальше, чем до Берлина) вот-вот получит такую же телеграмму и даже узнаёт её содержание. Вы не верите своим глазам и ушам и выстреливаете серию телеграмм. И всё повторяется – в Берлине заранее знают о телеграмме в Копенгаген и о том, что в ней написано.

В эксперименте Аспе роль телеграмм играли фотоны, которые принимались и анализировались фотодетекторами. И хотя их разделяло очень большое расстояние, каждый детектор каким-то таинственным образом узнавал о том, что происходит с другим.

Эксперимент Аспе всколыхнул интерес к парадоксам квантовой механики. Физики вспомнили о квантовой нелокальности мира, то есть идее ученика Эйнштейна Дэвида Бома о том, что на квантовом уровне всё едино. Таким образом, Бом ушёл от «обмана трудящихся», пресловутого дуализма. В его трактовке свойства частицы у электрона отражают конкретный местный «пейзаж», а волновые показывают его принадлежность к некоей вселенской… так и просится слово «Матрица». Именно его и произнёс Макс Планк, но только с эпитетом «Божественная». Лейбниц употреблял другой термин – «монада», а буддистская теория мироустройства выражается ещё более мудрёно. Но смысл один – глубинное единство всех объектов во Вселенной.

Спасти «котэ» Шрёдингера!

Очень упорным человеком был Эйнштейн. Он спорил не только с Бором и Ландау, но ещё с одним великим учёным, австрийцем Эрвином Шрёдингером. Шрёдингер написал самое главное уравнение квантовой механики, носящее его имя. Написал, а не вывел – именно так и было. Потому что Шрёдингер просто подогнал свою формулу под результаты экспериментов, без каких-либо дедукций. Переменную величину в этом уравнении назвали «пси-функцией». После этого уже нельзя говорить «электрон». Он не электрон, а волновая функция.

Переписка Эйнштейна и Шрёдингера наполнена забавными образными ориентирами. Эйнштейн доказывал своё, приводя аналогию некоей квантовой системы с бочкой с порохом. Он пишет Шрёдингеру, что пси-функция будет описывать своего рода смесь взорвавшейся и невзорвавшейся систем и никакая интерпретация не позволит «преобразовать эту функцию в адекватное отражение реального положения вещей».

Шрёдингер ответил ему в том же духе, но более «кровожадно». Он описал комнату, в которой находится атом урана в состоянии деления, помещённый в «склянку с синильной кислотой». «Эта склянка – и ещё прискорбное обстоятельство – некий кот также находится внутри комнаты».

И дальше жестокосердный физик рисует жуткую картину, когда атом взорвётся, склянка разобьётся и яд распространится по комнате: «По прошествии часа пси-функция всей системы будет содержать смесь в равных долях кота мёртвого и кота живого, sit venia verbo (с позволения сказать)».

Шрёдингер спорил и с Эйнштейном, и с Бором. Но лучше бы он не писал про несчастного кота. Весь учёный мир ринулся спасать обречённого «котэ». Чтобы это сделать, нужно было решить проблему квантового изменения. Суть в том, что пока имеет место квантовая суперпозиция, то шансы на спасение ещё есть. Никто не знает, жив «котэ» или нет. Как только мы измеряем, то есть открываем пресловутую комнату, то происходит редукция, то есть упрощение волновой пси- функции. Вся проблема в том, как узнать, что происходит внутри комнаты, не влияя на события. Если возможно узнать насчёт здоровья «котэ», не оказывая воздействия на атом урана и на склянку с ядом, то можно спасти животное. Если нет – увы.

Копенгагенская трактовка, которой придерживался Нильс Бор и ещё один великий физик Вернер Гейзенберг, утверждала, что любое измерение или просто наблюдение влияет на измеряемый процесс. Летит себе электрон или фотон, вполне счастливый, находясь в квантовой суперпозиции, которая содержит в себе все возможные его состояния, и лиха не ведает, но стоит лишь взглянуть в его сторону или попытаться измерить, как происходит редукция волновой функции и … «котэ» погибает!

Чтобы не терзать читателя, скажу, что совсем недавно физики из американского университета в Беркли ухитрились провести такой тончайший эксперимент, который позволил подглядеть, что происходит в квантовой системе, не влияя на неё. Эти благородные защитники животных спасли наконец кота Шрёдингера!

Такой Мультиверс нам не нужен!

Если ты, читатель, думаешь, что на этом парадоксы и загадки квантового мира исчерпаны, то глубоко заблуждаешься. Вероятностное толкование квантовых законов в рамках копенгагенской трактовки не нравилось не одному лишь Эйнштейну. Американский учёный Хью Эверетт предложил по-иному взглянуть на процесс коллапса (редукции) волновой функции. Похоже, он попал под влияние знаменитого физика Ричарда Фейнмана, который предложил решать уравнение волновой функции таким образом, чтобы измеряемый фотон летел не по какой-либо одной возможной траектории, а по всем сразу. Эверетт обобщил идею Фейнмана и предложил считать, что каждой такой траектории соответствует своя параллельная вселенная. Честно говоря, не хочется верить в такую возможность. Это уже чересчур, на мой взгляд. Создатели теории Мультиверса (Многомирия), как бы чувствуя запредельную фантастичность своей трактовки, поясняют, что они вовсе не имеют в виду реальное существование параллельных вселенных. Просто в их интерпретации наблюдатель, производящий измерение, при расчёте каждой траектории фотона как бы расщепляется… Час от часу не легче!

Однако и теория Мультиверса не самое невероятное, о чём можно рассказать применительно к квантовым парадоксам и загадкам. Чего стоит квантовая телепортация или квантовая сцепленность!

Самое удивительное всё же состоит в том, что современные учёные преодолевают все эти интеллектуальные ловушки и всё ближе подходят к созданию квантовых компьютеров, которые настолько изменят наш мир, что ни в сказке сказать ни пером описать!.. Но это – тема для отдельного разговора.

Не стоит разочаровываться в науке и научном методе из-за странностей квантового мира. Ведь когда-нибудь кажущиеся нам непонятными парадоксы и загадки прояснятся и станут понятными даже ребёнку. Ну а пока можно перефразировать Аристотеля: «Электроны и фотоны так себя ведут, потому что им это свойственно!»