(из книги Парадокс. Девять великих загадок физики. Профессор Джим Аль-Халили)
Начало: Часть 1.
Эрвин Шрёдингер
В период с 1925 по 1927 год в науке произошла революция, подобной которой мир не видел ни до ни после. Разумеется, в истории науки случались великие моменты, прорывы, совершенные Коперником, Галилеем, Ньютоном, Дарвином, Эйнштейном, Уотсоном и Криком, в корне изменившие наше понимание мира. Но я бы сказал, что ни одно открытие этих величайших гениев не произвело такого фурора в науке, как квантовая механика. Эта научная область образовалась всего за несколько лет и своим появлением изменила наше представление о реальности навсегда.
Позвольте мне коротко описать положение дел в физике в начале 1920-х годов. К тому моменту уже было известно, что вся материя состоит из атомов, и ученые имели приблизительное представление о том, как выглядят эти атомы изнутри и из чего они состоят. Благодаря работам Эйнштейна стало известно, что свет можно заставить действовать как поток частиц или как волну, распространяющаяся в пространстве, в зависимости от того, какой эксперимент вы ставите и какое свойство света изучаете. Хотя само по себе это было странно, но появилось все больше свидетельств, что частицы материи, например, электроны, также способны на такое противоречивое поведение.
В 1916 году Нильс бор с триумфом вернулся в Копенгаген из Манчестера, где помогал Эрнесту Резерфорду разрабатывать теоретическую модель, объяснявшую вращение электронов внутри атомов. В течение пары лет он организовал в Копенгагене новый институт при поддержке пивоваренной компании «Карлсберг». Затем имея в активе Нобелевскую премию по физике за 1922 год, он начал собирать вокруг себя научных гениев своего времени. Самым знаменитым из них был немецкий физик Вернер Гейзенберг. Летом 1925 года. Восстанавливая силы после приступа сенной лихорадки на немецком острове Гельголанд, Гейзенберг совершил великий прорыв в математическом описании вселенной атомов. Но это были странные математические выражения, а новые данные об атомах, полученные с их помощью, оказались еще более странными. К примеру, Гейзенберг утверждал, что мы не только не можем точно сказать, где находится электрон в атоме (если не определяем в этот самый момент его местоположение), но и сам электрон не занимает определенной точки в пространстве – каким-то непостижимым образом он размыт в пространстве вокруг ядра.
Гейзенберг был вынужден заключить, что вселенная атомов представляет собой призрачное полуреальное место, принимающее определенную форму только в тот момент, когда мы направляем на него свой измерительный прибор (и даже тогда с помощью этого прибора мы можем узнать только те характеристики, для определения которых он предназначен). Итак, не вдаваясь глубоко в научные подробности (несмотря на то, что прибор, предназначенный для определения местоположения электронов, действительно установит его положение, а другой прибор, измеряющий его скорость, также даст ответ), невозможно поставить эксперимент, в ходе которого мы одновременно узнаем, где находится электрон и как быстро он движется. Эта идея воплощена в знаменитом принципе неопределенности Гейзенберга и до сих пор является одной их важнейших концепций в науке.
В январе 1926 года (примерно в то же время, когда Гейзенберг занимался разработкой этих идей) Эрвин Шрёдингер представил работу, в которой изложил альтернативный математический подход. Описывающий атом по-другому. Его теория атомов предполагала (в отличии от версии, утверждающей, что положение вращающегося электрона неопределенно и непознаваемо), что электрон подобен волне энергии, окружающей атомное ядро. Электрон не имеет определенного положения, потому что на самом деле это не частица, а волна. Шрёдингер хотел провести различие между расплывчатой картинкой, изображающей электрон туманным и нечётким, и четко сформулированной, представляющей электрон в виде облака или скопления тумана. В обоих случаях мы не можем точно определить, где находится электрон, но Шрёдингер предпочитал думать, что электрон «действительно» рассредоточен (пока мы не смотрим на него). Его версия теории атома стала известна под названием волновой механики, а его теперь ставшее знаменитым уравнение описывает, как ведут себя эти волны и как изменяются с течением времени (в полном соответствии с принципами детерминизма).
Сегодня мы научились принимать оба эти способа представления квантового мира: абстрактный математический подход Гейзенберга и волновую интерпретацию Шрёдингера.
Оба подхода изучают студенты, оба подхода работают хорошо, а физики приспособились легко переключаться между ними в зависимости от текущей задачи. Дело в том, что на основании этих двух подходов можно сделать одни и те же прогнозы (и оба они полностью согласуются с данными экспериментов). Другие пионеры квантовой физики – Вольфганг Паули и Поль Дирак – в конце 1920-х годов доказали, что оба подхода с точки зрения математики полностью равнозначны, поэтому какой из них использовать для описания конкретной характеристики атомов или их компонентов – исключительно вопрос удобства. Можно считать, что это немного похоже на описание одной и той же вещи на двух разных языках.
Итак, хотя оказалось, что квантовая механика как математическая теория успешно описывает структуру микромира атомов и всех остальных кирпичиков материи (от электронов до кварков и нейтрино), её все ещё сопровождает ряд нерешенных задач. Они имеют отношение как к нашей трактовке результатов вычислений, так и к тому, каким образом квантовый мир совершает переход к масштабу знакомого нам мира крупных объектов (макромира, в котором мы живем). Именно эту вторую проблему подчеркнул Шрёдингер в своем парадоксе.
Продолжение: Часть 3.