Квантовая теория (стр. 1 из 4). Квантовая механика теория всего
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА - это... Что такое КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА?
где h - постоянная Планка, уже известная из квантовой теории излучения и фигурировавшая в теории Бора, а . Постоянная Планка h представляет собой обычное число, но очень малое, приблизительно 6,6Ч10-34 Дж*с. Таким образом, если p и q - величины обычного масштаба, то разность произведений pq и qp будет крайне мала по сравнению с самими этими произведениями, так что p и q можно считать обычными числами. Построенная для описания явлений микромира, теория Гейзенберга почти полностью согласуется с механикой Ньютона, когда ее применяют к макроскопическим объектам. Уже в самых ранних работах Гейзенберга было показано, что при всей неясности физического содержания новой теории она предсказывает существование дискретных энергетических состояний, характерных для квантовых явлений (например, для испускания света атомом). В более поздней работе, выполненной совместно с М. Борном и П. Йорданом в Геттингене, Гейзенберг развил формальный математический аппарат теории. Практические вычисления остались, однако, крайне сложными. После нескольких недель напряженной работы В.Паули вывел формулу для энергетических уровней атома водорода, совпадающую с формулой Бора. Но прежде чем удалось упростить вычисления, появились новые и совершенно неожиданные идеи.
.
К 1920 физики были уже довольно хорошо знакомы с двойственной природой света: результаты одних экспериментов со светом можно было объяснить, предполагая, что свет представляет собой волны, а в других он вел себя подобно потоку частиц. Поскольку казалось очевидным, что ничто не может быть в одно и тоже время и волной, и частицей, ситуация оставалась непонятной, вызывая горячие споры в среде специалистов. В 1923 французский физик Л.де Бройль в опубликованных им заметках высказал предположение, что столь парадоксальное поведение, может быть, не является спецификой света, но и вещество тоже может в одних случаях вести себя подобно частицам, а в других подобно волнам. Исходя из теории относительности, де Бройль показал, что если импульс частицы равен p, то "ассоциированная" с этой частицей волна должна иметь длину волны l = h/p. Это соотношение аналогично впервые полученному Планком и Эйнштейном соотношению E = hn между энергией светового кванта Е и частотой n соответствующей волны. Де Бройль показал также, что эту гипотезу можно легко проверить в экспериментах, аналогичных опыту, демонстрирующему волновую природу света, и настойчиво призывал к проведению таких опытов. Заметки де Бройля привлекли внимание Эйнштейна, и к 1927 К.Дэвиссон и Л.Джермер в Соединенных Штатах, а также Дж. Томсон в Англии подтвердили для электронов не только основную идею де Бройля, но и его формулу для длины волны. В 1926 работавший тогда в Цюрихе австрийский физик Э. Шредингер, прослышав о работе де Бройля и предварительных результатах экспериментов, подтверждавших ее, опубликовал четыре статьи, в которых представил новую теорию, явившуюся прочным математическим обоснованием этих идей. Такая ситуация имеет свой аналог в истории оптики. Одной уверенности в том, что свет есть волна определенной длины, недостаточно для детального описания поведения света. Необходимо еще написать и решить выведенные Дж.Максвеллом дифференциальные уравнения, подробно описывающие процессы взаимодействия света с веществом и распространение света в пространстве в виде электромагнитного поля. Шредингер написал дифференциальное уравнение для материальных волн де Бройля, аналогичное уравнениям Максвелла для света. Уравнение Шредингера для одной частицы имеет вид
dic.academic.ru
Будет ли у нас когда-нибудь «теория всего»?
Физики хотят найти единую теорию, которая описывает всю Вселенную, но для этого им придется решить сложнейшие проблемы в науке. Недавно вышедший фильм «Теория всего» рассказывает историю Стивена Хокинга, который стал всемирно известным физиком вопреки тому, что был прикован к инвалидной коляске с молодости. Фильм в основном про жизнь Хокинга и его отношения с женой, но все же находит немного времени, чтобы объяснить, на чем сделал карьеру Хокинг.
Амбиций, конечно, у него было много. Хокинг среди многих физиков пытается придумать «теорию всего», единую теорию, которая объяснит все в нашей Вселенной, сведет воедино все теории и процессы, объединит то, что пока не удалось. Он следует по стопам Альберта Эйнштейна, который тоже пытался, но не смог разработать такую теорию.
Найти теорию всего было бы ошеломляющим достижением, осмыслением всех странных и удивительных вещей во Вселенной. Десятилетиями физики говорили и продолжают говорить, что теория всего не за горами. Получается, мы стоим на пороге понимания всего?
На первый взгляд, теория всего звучит как трудная задача. Она должна объяснить все, от сочинений Шекспира до человеческого мозга, все, что есть на Земле и за ее пределами, говорит Джон Барроу из Кембриджского университета в Великобритании. «Это вопрос о Вселенной».
Тем не менее Барроу думает, что найти теорию всего «вполне возможно». Потому что «законы природы немногочисленны, просты, симметричны и есть всего четыре фундаментальных силы». В некотором смысле мы должны отложить в сторону сложность мира, в котором живем. «Результаты законов — то, что мы видим вокруг — бесконечно сложнее», — говорит Барроу. Но правила, за ними стоящие, могут быть простыми.
В 1687 году многим ученым казалось, что теория всего обнаружена.
Прозрение Ньютона
Английский физик Исаак Ньютон опубликовал книгу, в которой объяснил движение объектов и принцип действия гравитации. «Математические начала натуральной философии» подарили вещам в мире установленные места. История гласит, что в возрасте 23 лет Ньютон отправился в сад и увидел, как с дерева падает яблоко. В то время физики знали, что Земля каким-то образом притягивает объекты с помощью гравитации. Ньютон развил эту идею.
По словам Джона Кондуитта, помощника Ньютона, при виде яблока, падающего на землю, Ньютону пришла мысль, что гравитационная сила «не была ограничена определенным расстоянием от земли, а простирается гораздо дальше, чем считалось обычно». По мнению Кондуитта, Ньютон задался вопросом: а почему аж не до Луны?
Вдохновленный своими догадками, Ньютон разработал закон всемирного тяготения, который одинаково хорошо работал и с яблоками на Земле, и с планетами, вращающимися вокруг Солнца. Все эти объекты, несмотря на различия, подчиняются одним законам.
«Люди думали, что он объяснил все, что нуждалось в объяснении, — говорит Барроу. — Его достижение было великим».
Проблема в том, что Ньютон знал, что в его работе зияют бреши.
К примеру, гравитация не объясняет, как небольшие объекты удерживаются вместе, поскольку эта сила не так уж и велика. Кроме того, хотя Ньютон мог объяснить, что происходит, он не мог объяснить, как это работает. Теория была неполной.
Была проблема и побольше. Хотя законы Ньютона объяснили наиболее распространенные явления во Вселенной, в некоторых случаях объекты нарушали его законы. Эти ситуации были редкими и обычно включали высокие скорости или повышенную гравитацию, но они были.
Одной из таких ситуаций стала орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты. Как и любая другая планета, Меркурий вращается вокруг Солнца. Законы Ньютона можно было применить для расчета движений планет, но Меркурий не хотел играть по правилам. Что более странно, его орбита не имела центра. Стало понятно, что универсальный закон всемирного тяготения был не так уж и универсален, да и не закон вовсе.
Более двух веков спустя Альберт Эйнштейн пришел на помощь со своей теорией относительности. Идея Эйнштейна, которой в 2015 году исполняется 100 лет, предоставила более глубокое понимание гравитации.
Теория относительности
Ключевая идея состоит в том, что пространство и время, которые кажутся разными вещами, на самом деле переплетаются. У пространства есть три измерения: длина, ширина и высота. Время является четвертым измерением. Все четыре связаны в виде гигантской космической клетки. Если вы когда-нибудь слышали фразу «пространственно-временной континуум», именно о нем речь и идет.
Большая идея Эйнштейна заключалась в том, что тяжелые объекты вроде планет или быстро движущиеся могут искривлять пространство-время. Немного похоже на туго натянутый батут: если вы поставите что-нибудь тяжелое на ткань, образуется провал. Любые другие объекты будут скатываться по наклону к объекту во впадине. Потому, по мнению Эйнштейна, гравитация притягивает объекты.
Идея странная по своей сути. Но физики убеждены, что так и есть. Также она объясняет странную орбиту Меркурия. Согласно общей теории относительности, гигантская масса Солнца искривляет пространство и время вокруг. Будучи ближайшей к Солнцу планетой, Меркурий испытывает намного большие искривления, чем другие планеты. Уравнения общей теории относительности описывают, как это искривленное пространство-время влияет на орбиту Меркурия, и позволяют предсказать положение планеты.
Однако, несмотря на свой успех, теория относительности не является теорией всего, как и теории Ньютона. Как и теория Ньютона не работает для по-настоящему массивных объектов, теория Эйнштейна не работает в микромасштабах. Как только вы начинаете рассматривать атомы и все, что меньше, материя начинает вести себя очень странно.
Квантовая механика
До конца 19 века атом считался наименьшей единицей материи. Родившись от греческого слова «атомос», что означало «неделимый», атом по своему определению не должен был разбиваться на меньшие частицы. Но в 1870-х годах ученые обнаружили частицы, которые в 2000 раз легче атомов. Взвешивая лучи света в вакуумной трубе, они нашли чрезвычайно легкие частицы с отрицательным зарядом. Так была открыта первая субатомная частица: электрон. В следующие полвека ученые обнаружили, что у атома есть составное ядро, вокруг которого снуют электроны. Это ядро состоит из двух типов субатомных частиц: нейтронов, которые обладают нейтральным зарядом, и протонов, которые заряжены положительно.
Но и на этом еще не все. С тех пор ученые находили способы делить материю на все меньшие и меньше части, продолжая уточнять наше понимание фундаментальных частиц. К 1960-м годам ученые нашли десятки элементарных частиц, составив длинный список так называемого зоопарка частиц.
Насколько мы знаем, из трех компонентов атома единственной фундаментальной частицей остался электрон. Нейтроны и протоны делятся на крошечные кварки. Эти элементарные частицы подчиняются совершенно другому набору закону, отличному от тех, которым подчиняются деревья или планеты. И эти новые законы — которые были гораздо менее предсказуемыми — испортили физикам все настроение.
В квантовой физике у частиц нет определенного места: их местонахождение немного смазано. Словно у каждой частицы есть определенная вероятность нахождения в определенном месте. Это означает, что мир по своей сути фундаментально неопределенное место. Квантовую механику даже понять сложно. Как сказал однажды Ричард Фейнман, эксперт в квантовой механике, «думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику».
Эйнштейн тоже был обеспокоен размытостью квантовой механики. Несмотря на то, что он ее, по сути, частично изобрел, сам Эйнштейн никогда не верил в квантовую теорию. Но в своих чертогах — больших и малых — как общая теория относительности, так и квантовая механики доказали право на безраздельную власть, будучи чрезвычайно точными.
Квантовая механика объяснила структуру и поведение атомов, включая то, почему некоторые из них являются радиоактивными. Также она лежит в основе современной электроники. Вы не смогли бы прочитать эту статью без нее.
Общая теория относительности предсказала существование черных дыр. Этих массивных звезд, которые коллапсировали сами в себя. Их гравитационное притяжение настолько мощное, что даже свет не может его покинуть.
Проблема в том, что эти две теории несовместимы, поэтому не могут быть верными одновременно. Общая теория относительности гласит, что поведения объектов могут быть точно предсказаны, тогда как квантовая механика говорит, что вы можете знать только вероятность того, что будут делать объекты. Из этого следует, что остаются некоторые вещи, которые физики до сих пор не описали. Черные дыры, например. Они достаточно массивны, чтобы к ним была применима теория относительности, но и достаточно малы, чтобы можно было применить квантовую механику. Если вы не окажетесь близко к черной дыре, эта несовместимость не будет влиять на вашу повседневную жизнь. Но вызывает недоумение у физиков большую часть прошлого века. Именно такая несовместимость заставляет искать теорию всего.
Эйнштейн провел большую часть своей жизни, пытаясь найти такую теорию. Не будучи фанатом случайности квантовой механики, он хотел создать теорию, которая объединит гравитацию и остальную физику, чтобы квантовые странности остались вторичными следствиями.
Его основной задачей было заставить гравитацию работать с электромагнетизмом. В 1800-х годах физики выяснили, что электрически заряженные частицы могут притягиваться или отталкиваться. Потому некоторые металлы притягиваются магнитом. Очевидно, если два вида сил, которые объекты могут оказывать друг на друга, они могут притягиваться посредством гравитации и притягиваться или отталкиваться за счет электромагнетизма.
Эйнштейн хотел объединить две этих силы в «единую теорию поля». Чтобы сделать это, он растянул пространство-время в пять измерений. Вместе с тремя пространственными и одним временным измерениями он добавил пятое измерение, которое должно быть настолько маленьким и свернутым, что мы не смогли бы его видеть.
Это не сработало, и Эйнштейн потратил 30 лет на пустые поиски. Он умер в 1955 году, и его единая теория поля не была раскрыта. Но в следующем десятилетии появился серьезный соперник для этой теории: теория струн.
Теория струн
Идея в основе теории струн довольно проста. Основные ингреденты нашего мира вроде электронов — это не частицы. Это крошечные петли или «струны». Просто поскольку струны очень маленькие, они кажутся точками.
Как и струны на гитаре, эти петли находятся под напряжением. Значит, вибрируют на разных частотах в зависимости от размера. Эти колебания определяют, какой сорт «частицы» будет представлять каждая струна. Вибрация струны одним способом даст вам электрон. Другим — что-нибудь другое. Все частицы, открытые в 20 веке, представляют собой одни виды струн, просто вибрирующих по-разному.
Довольно сложно сразу понять, почему это хорошая идея. Но она подходит для всех сил, действующих в природе: гравитации и электромагнетизма, плюс еще двух, открытых в 20 веке. Сильные и слабые ядерные силы действуют только в пределах крошечных ядер атомов, поэтому их долго не могли обнаружить. Сильная сила удерживает ядро вместе. Слабая сила обычно ничего не делает, но если набирает достаточно силы, разбивает ядро на части: поэтому некоторые атомы радиоактивны.
Любой теории всего придется объяснить все четыре. К счастью, две ядерные силы и электромагнетизм полностью описываются квантовой механикой. Каждая сила переносится специализированной частицей. Но нет ни одной частицы, которая переносила бы гравитацию.
Некоторые физики думают, что она есть. И называют ее «гравитоном». У гравитонов нет массы, особый спин и они движутся со скоростью света. К сожалению, их пока не нашли. И здесь на сцену выходит теория струн. Она описывает струну, которая выглядит точно как гравитон: имеет корректный спин, не обладает массой и движется со скоростью света. Впервые в истории теория относительности и квантовая механика нащупали общую почву.
В середине 1980-х годов физики были восхищены теорией струн. «В 1985 году мы поняли, что теория струн решает кучу проблем, которые мучили людей последние 50 лет», — говорит Барроу. Но и у нее оказались проблемы.
Во-первых, «мы не понимаем, чем является струнная теория, в нужных деталях», говорит Филип Канделас из Оксфордского университета. «У нас нет хорошего способа ее описать».
Кроме того, некоторые прогнозы выглядят странно. В то время как теория единого поля Эйнштейна полагается на дополнительное скрытое измерение, простейшие формы теории струн нуждаются в 26 измерениях. Они нужны, чтобы увязать математику теорию с тем, что мы уже знаем о Вселенной.
Более продвинутые версии, известные как «теории суперструн», обходятся десятью измерениями. Но даже это не стыкуется с тремя измерениями, которые мы наблюдаем на Земле.
«С этим можно справиться, если допустить, что только три измерения расширились в нашем мире и стали большими, — говорит Барроу. — Другие присутствуют, но остаются фантастически малыми».
Из-за этих и других проблем, многие физики не любят теорию струн. И предлагают другую теорию: петлевая квантовая гравитация.
Петлевая квантовая гравитация
Эта теория не ставит перед собой задачу объединить и включить все, что есть в физике частиц. Вместо этого петлевая квантовая гравитация просто пытается вывести квантовую теорию гравитации. Она более ограничена, чем теория струн, но не настолько громоздка. Петлевая квантовая гравитация предполагает, что пространство-время разделено на небольшие кусочки. Издалека кажется, что это гладкий лист, но при ближайшем рассмотрении видно кучу точек, соединенных линиями или петельками. Эти маленькие волокна, которые сплетаются, предлагают объяснение гравитации. Эта идея так же непостижима, как струнная теория, и обладает схожими проблемами: нет никаких экспериментальных подтверждений.
Почему эти теории до сих пор обсуждаются? Возможно, мы просто не знаем достаточно. Если обнаружатся крупные явления, которых мы никогда не видели, мы можем пытаться понять крупную картину, а недостающие части головоломки доберем потом.
«Заманчиво думать, что мы обнаружили все, — говорит Барроу. — Но было бы весьма странно, если бы к 2015 году мы сделали все необходимые наблюдения, чтобы получить теорию всего. Почему это должно быть так?».
Есть и другая проблема. Эти теории сложно проверить, в значительной степени потому, что у них крайне жестокая математика. Канделас пытался найти способ проверить теорию струн в течение многих лет, но так и не смог.
«Главным препятствием на пути продвижения теории струн остается недостаточное развитие математики, которая должна сопровождать физические исследования, — говорит Барроу. — Она находится на раннем этапе, еще многое нужно исследовать».
При всем этом теория струн остается многообещающей. «На протяжении многих лет люди пытались объединить гравитацию с остальной физикой, — говорит Канделас. — У нас были теории, которые хорошо объясняли электромагнетизм и другие силы, но не гравитацию. С теорией струн мы пытаемся их объединить».
Реальная проблема заключается в том, что теорию всего может быть просто невозможно идентифицировать.
Когда теория струн стала популярной в 1980-х годах, было на самом деле пять ее версий. «Люди начали беспокоиться, — говорит Барроу. — Если это теория всего, почему их пять?». В течение следующего десятилетия, физики обнаружили, что эти теории могут быть преобразованы одна в другую. Это просто разные способы видения одного и того же. В результате появилась выдвинутая в 1995 году М-теория. Это глубокая версия теории струн, включающая все ранние версии. Что ж, мы по крайней мере вернулись к единой теории. М-теория требует всего 11 измерений, что намного лучше 26. Однако М-теория не предлагает единую теорию всего. Она предлагает миллиарды их. В общей сложности М-теория предлагает нам 10^500 теорий, все из которых будут логически последовательны и способны описать Вселенную.
Это выглядит хуже, чем бесполезно, но многие физики полагают, что это указывает на более глубокую истину. Возможно, наша Вселенная — одна из множества, каждая из которых описывается одной из триллионов версий М-теории. И это гигантское собрание вселенных называется «мультивселенная».
В начале времен мультивселенная была как «большая пена из пузырей разных форм и размеров», говорит Барроу. Каждый пузырь затем расширился и стал вселенной.
«Мы в одном из таких пузырей, — говорит Барроу. По мере расширения пузырьков внутри них могли образоваться другие пузырьки, новые вселенные. — В процессе этого география такой вселенной серьезно усложнилась».
В каждой вселенной-пузыре действуют одни и те же физические законы. Потому в нашей вселенной все ведет себя одинаково. Но в других вселенных могут быть другие законы. Отсюда рождается странный вывод. Если теория струн действительно лучший способ объединить теорию относительности и квантовую механику, то обе они одновременно и будут, и не будут теорией всего.
С одной стороны, теория струн может дать нам совершенное описание нашей вселенной. Но она также неизбежно приведет к тому, что каждая из триллионов других вселенной будет уникальна. Серьезным изменением в мышлении будет то, что мы перестанем ждать единую теорию всего. Может быть множество теорией всего, каждая из которых будет верной в своем роде.
hi-news.ru
Квантовая теория
Содержание
Введение
Квантово-механическое описание реальности
Основные трактовки квантово-механической теории
Заключение
Список литературы
Введение
Квантовая теория в ряду других современных физических теорий занимает совершенно особое место. Если обратить внимание на те изменения, которые она принесла в основополагающие принципы и категории нашего пони мания мира, переворот в науке, произведенный теорией квантов с начала 20-х годов, можно сравнить по значению лишь с коперниковским переворотом во времена Ренессанса. В то время переход от конечного космоса к бесконечному Универсуму был связан с совершенно новой точкой зрения, по-новому определившей положение человека во Вселенной, и принесшей совершенно новые принципы наблюдения и объяснения мира. Квантовая же механика наше понимание реальности потрясает таким образом, что в своем значении она остается еще до сих пор во многом непонятой. Рассматривая фундаментальные вопросы современной физики, мы неизбежно сталкиваемся с философскими, онтологическими и метафизическими, в прямом смысле этого слова, проблемами. Трудно не согласиться с утверждением Д'Эспанья, что « ... в наши дни попытки сконструировать образ реальности, свободный от всякой метафизики, больше напоминает попытку построения квадратуры круга» [D'Еsраgnаt, 1991, р.231]. Более того, те или иные метафизические представления, имплицитно или эксплицитно пронизывают все наше мировоззрение - от уровня обыденного до научно-теоретического.
Квантово-механическое описание реальности
Современная физика в своих основах выходит к очень глубоким философским вопросам. Оказывается, что «те проблемы..., которыми физики занимаются в своей переполненной оборудованием лаборатории, не менее глубоки, чем те, над которыми размышлял Платон на поросших травой лужайках. Чем определяются пределы познания? Действительно ли наше восприятие в некотором смысле формирует физический мир? Присутствует ли во Вселенной элемент случайности, или все события предопределены заранее?» [Хорган, 1992, с. 70-71]. Видно, что все эти вопросы в равной мере являются как физическими, так и философскими (метафизическими). Между ними, оказывается, трудно провести границу.
Жаркие споры и дискуссии о реальности квантово-механических состояний, о «соучастии» человека в творении мира и о роли в этом его сознания, о множественности миров, о локальности, о детерминизме и каузальности, об особой роли вероятности в квантовой механике по сравнению с классической статистической физикой и многие другие вопросы, как нельзя лучше иллюстрируют, каким радикальным образом подвергаются сомнению наши основные представления и категории. По странности, парадоксальности и даже видимой абсурдности по сравнению со здравым человеческим смыслом квантовая механика и ее многочисленные интерпретации превосходит научно-фантастическую литературу [Lenk, 1995, s. 202]. Альберт Эйнштейн сказал однажды: «Если квантовая механика права, то мир сошел с ума» [Хорган, 1992, с. 72]. И сейчас многие физики, такие, например, как теоретик из Нью-Йорка Даниель Гринбергер констатируют: «Эйнштейн был прав. Мир сошел с ума» [Там же, с. 72] Нильс Бор утверждал, по словам его ученика Уилера, что если «квантовая физика не приводит вас в замешательство, то вы ее не поняли по-настоящему» [Там же, с. 73]. До сих пор все проведенные эксперименты подтверждают наихудшие опасения Эйнштейна. «В области философских трактовок нужно ожидать только одного ... - если что и можно усвоить из квантовой теории и ее интерпретаций, это только одно: здесь необходимо полностью отказаться от обыденного разума и не доверять «здравому человеческому рассудку» [Lenk, 1995, с. 202]. Квантовая механика ставит множество «загадок», и одна из них демонстрируется, например, в связи с проблемой наблюдателя в «творении» объективной реальности. Как-то в разговоре с Паскуалем Йорданом Эйнштейн сказал о теоретиках в области квантовой теории: «Все же они не считают всерьез, что Луна не существует, когда на нее никто не смотрит». В противовес этому утверждению физик Давид Н. Мэрмин из Корнуэльского Университета написал в одной из своих статей, что теперь мы можем с определенностью доказать, что Луна действительно не существует, когда на нее никто не смотрит: «WenowknowthatthemооnisdemonstrabIynottherewhennobodylooks» [JoumalofPhilosophy, 78 (1981), р. 397]. Проблема объективности мира является одной из наиболее интригующих в квантовой механике, и Мэрмин вовсе не одинок в своих выводах. Отнюдь не мала и партия его противников. Можно было бы привести и множество других не менее шокирующих обыденное сознание выводов, делающихся из квантовой теории, очень часто прямо противоположных друг другу. Однако мы не в этом видим свою задачу, тем более что специалистам в области философских проблем квантовой теории все эти дискуссии очень хорошо знакомы. Вопрос который нас здесь интересует, состоит в следующем: Можно ли вообще описать эту странную, прямо-таки «сюрреальную» реальность квантовой физики?
Необычайность свойств квантовой механики приковывает внимание к ней множество специалистов и философов. В последнее время, начиная с начала 90-х годов, произошло значительное увеличение количества работ, так или иначе посвященных этой теме. К сожалению, множество из них носит либо спекулятивный, либо прямо-таки мистический характер, поскольку в них должным образом не анализируются действительные и актуальные проблемы реконструкции квантовой реальности. Квантовая теория с ее гносеологическими уроками служит основанием для утверждений о становлении нового, неклассического типа научной рациональности. Именно на квантовую механику ссылаются тогда, когда говорят о том, что необходимо отказаться от стандартов и идеалов классической рациональности, когда, в частности, утверждают, что идеал объективности знания в современной науке перестал играть свою центральную роль.
Есть и еще один круг проблем, тесно связанный с дискуссиями по поводу изменения типа рациональности, где апелляция различных сторон к квантовой механике играет немаловажную роль. Диалогический характер современного мышления, плюрализм мнений, который, как полагают многие представители современной культуры, не является чем-то временным и преодолимым, а является чем-то принципиальным и неустранимым. Такой плюрализм многие исследователи считают одним из важнейших уроков, преподнесенных квантовой механикой человеческому мышлению [Аршинов, 1992]. Некоторые весьма смутные аргументы, почерпнутые именно из квантовой теории, имеют в виду, по-видимому, и те гуманитарии, которые, упрекая классическое естествознание в равнодушии к человеку и бездуховности, с надеждой говорят о якобы идущих в современном научном нании процессах гуманизации знания, настаивают на при сущем современной науке человеческом измерении.
Что во всем этом на самом деле соответствует действительности, а что является только мифом? Как отделить здесь зерна от плевел? Очевидно, что задача эта совсем не простая.
Но что можно сказать с определённостью, так это то, что ответы на вопросы о том, какие именно изменения претерпевает научная рациональность в ХХ веке, что происходит при этом с идеалом объективности научного знания, на самом ли деле наука освобождается от своей беспристрастности и «приобретает человеческое лицо», невозможны без тщательного, скрупулезного анализа той реальной познавательной ситуации, которая существует в рассматриваемой нами области физического знания. В настоящее же время, в полном соответствии с известным в постмодернизме принципом Фидлера - «Пересекайте границы, засыпайте рвы» - происходит наступление не только на идеалы и нормы классической науки, но, можно сказать, и на науку вообще. Ситуацию, которая складывается к настоящему времени (если судить по анализу последней литературы), можно было бы характеризовать словами Артура Файна из его книги «The Shaky Game»: «Любой абсурд имеет теперь своего защитника» [Fine, 1988, р. 1]. В связи с этим мне представляется как нельзя более актуальным обращение к последним дискуссиям вокруг квантовой механики, и в первую очередь к проблеме квантово-механической реальности. Именно вокруг нее было сломано столько копий по поводу интерпретации квантовой механики, в том числе и в нашей стране. Известны дискуссии по этому поводу между А. Эйнштейном. Н. Бором, в. Гейзенбергом. Э. Шредингером; в нашей стране в них приняли живейшее участие - К.В. Никольский, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев, Л.И. Мандельштам, С.И. Вавилов. М.А .Марков, М.Э. Омельяновский. А.А. Тяпкин и др.; [см. напр. обзор: Философские проблемы квантовой физики, 1992].
Одна из самых первых интерпретаций квантовой теории - копенгагенская, в смысле описания квантовой реальности была скорее запретительной. Копенгагенская интерпретация фактически запрещает говорить о какой-либо квантовой реальности. «Нет никакой квантовой реальности, а существует лишь абстрактное квантовомеханическое описание» [цит. по: Heгbeгt, 1987, с. 33] - так можно было бы в вкратце ее выразить. Бор, родоначальник копенгагенской трактовки, подчеркивал, что мы должны быть прагматиками при интерпретации квантовых феноменов. У нас есть лишь возможность говорить о результатах эксперимента. измерения (и, причем, только на классическом языке). Квантовые явления возникают лишь при наблюдении, до этого они «не существуют».У истоков копенгагенской трактовки на ранних этапах ее разработки стоял и Вернер Гейзенберг, который в то время разделял ее основные положения. Однако позднее точка зрения Гейзенберга значительно изменилась, и можно уверенно говорить о его собственной интерпретации квантовой механики. Гейзенберг фактически был единственным теоретиком из копенгагенской школы, пытавшимся понять, что же все-таки стоит за квантовым явлением, что оно есть в своей сущности. Его рассуждения приводили к утверждению о необходимости построения новой квантовой онтологии. Гейзенберг справедливо утверждает, что в квантовой механике мы сталкиваемся не просто лишь с удобным формализмом, неким правилом, адекватно описывающим, вообще говоря, неизвестную нам ситуацию, а с формализмом, действительно отображающим реальное положение дел: « ... модифицированная логика квантовой теории неизбежно влечет за собой модификацию онтологии» [Гейзенберг, 1987, с. 222]. О неразрывности онтологических представлений с физической теорией, реконструирующей реальность, утверждает и современный философ науки Цао, который останавливается на лом вопросе в целом ряде своих работ. «. .. Онтология является неустранимым концептуальным элементом в логической реконструкции реальности. Так как онтология дает картину мира, она дает основание, на которой может базироваться теория. Это помогает объяснить ее конститутативную роль в теоретической структуре науки ... » [Сао, 1997, р.10].
mirznanii.com
Квантовая механика - это... Что такое Квантовая механика?
Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием повседневных объектов, квантовые эффекты в основном проявляются только в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению с энергией покоя массивных частиц системы) квантовой теории поля.
Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать явления на уровне молекул, атомов, электронов и фотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также других элементарных частиц, однако более точное релятивистски инвариантное описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.
Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой и состояния.
Основные уравнения квантовой динамики — уравнение Шрёдингера, уравнение фон Неймана, уравнение Линдблада, уравнение Гейзенберга и уравнение Паули.
Уравнения квантовой механики тесно связаны со многими разделами математики, среди которых: теория операторов, теория вероятностей, функциональный анализ, операторные алгебры, теория групп.
История
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, часто считают днем рождения квантовой теории.
Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Эти порции состоят из целого числа квантов с энергией таких, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:
где h — постоянная Планка, и .
В 1905 году, для объяснения явлений фотоэффекта, Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов. Впоследствии, «кванты» получили название фотонов.
Для объяснения структуры атома, Нильс Бор предложил в 1913 году существование стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1900—1924 г.). Отличительной чертой старой квантовой теории является сочетание классической теории с противоречащими ей дополнительными предположениями.
В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся на предположение о том, что материальные частицы обладают и волновыми свойствами, неразрывно связанными с массой и энергией. Движение частицы Л. де Бройль сопоставил с распространением волны, что в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах.
Высказанные в 1924 году идеи корпускулярно-волнового дуализма были в 1926 году подхвачены Э. Шрёдингером, развернувшим на их основе свою волновую механику.
В 1925—1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днем рождения нерелятивистской квантовой механики.
Развитие и формирование основ квантовой механики продолжается до сих пор. Оно связано, например, с исследованиями открытых и диссипативных квантовых систем, квантовой информатикой, квантовым хаосом и пр. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.
В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер в исследовательском центре Bell Labs демонстрируют дифракцию медленных электронов на никелевых кристаллах (независимо от Дж. Томсона). При оценке угловой зависимости интенсивности отраженного электронного луча, было показано её соответствие предсказанной на основании условия Вульфа — Брэгга для волн с длиной Де Бройля (см. Волны де Бройля). До принятия гипотезы де Бройля, дифракция расценивалась как исключительно волновое явление, а любой дифракционный эффект — как волновой. Когда длина волны де Бройля была сопоставлена с условием Вульфа — Брэгга, была предсказана возможность наблюдения подобной дифракционной картины для частиц. Таким образом экспериментально была подтверждена гипотеза де Бройля для электрона.
Подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Подобно тому, как эффект Комптона показывает корпускулярную природу света, эксперимент Дэвиссона — Джермера подтвердил неразрывное «сосуществование» с частицей её волны, иными словами — присущность корпускулярной материи также и волновой природы. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма. Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений, полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях.
Математические основания квантовой механики
Существует несколько различных эквивалентных математических описаний квантовой механики:
Шрёдингеровское описание
Математический аппарат нерелятивистской квантовой механики строится на следующих положениях[1]:
где через обозначается скалярное произведение векторов и .
где — гамильтониан.
Основные следствия этих положений:
- При измерении любой квантовой наблюдаемой, возможно получение только ряда фиксированных её значений, равных собственным значениям её оператора — наблюдаемой.
- Наблюдаемые одновременно измеримы (не влияют на результаты измерений друг друга) тогда и только тогда, когда соответствующие им самосопряжённые операторы перестановочны.
Эти положения позволяют создать математический аппарат, пригодный для описания широкого спектра задач в квантовой механике гамильтоновых систем, находящихся в чистых состояниях. Не все состояния квантовомеханических систем, однако, являются чистыми. В общем случае состояние системы является смешанным и описывается матрицей плотности, для которой справедливо обобщение уравнения Шрёдингера — уравнение фон Неймана (для гамильтоновых систем). Дальнейшее обобщение квантовой механики на динамику открытых, негамильтоновых и диссипативных квантовых систем приводит к уравнению Линдблада.
Стационарное уравнение Шрёдингера
Пусть амплитуда вероятности нахождения частицы в точке М. Стационарное уравнение Шрёдингера позволяет ее определить.Функция удовлетворяет уравнению:
где —оператор Лапласа, а — потенциальная энергия частицы как функция .
Решение стационарного уравнения
Соотношение неопределённости возникает между любыми квантовыми наблюдаемыми, определяемыми некоммутирующими операторами.
Неопределенность между координатой и импульсом
Пусть — среднеквадратическое отклонение координаты частицы , движущейся вдоль оси , и — среднеквадратическое отклонение ее импульса. Величины и связаны следующим неравенством:
где — постоянная Планка, а Согласно соотношению неопределённостей, невозможно абсолютно точно определить одновременно координаты и скорость частицы. Например, чем больше точность определения координаты частицы, тем меньше точность определения ее скорости.
Неопределенность между энергией и временем
Пусть ΔЕ — среднеквадратическое отклонение энергии частицы, и Δt — время, требуемое для обнаружения частицы.Время Δt для обнаружения частицы с энергией E±ΔЕ определяется следующим неравенством:
Необычные явления, мысленные эксперименты и парадоксы квантовой механики
Разделы квантовой механики
В стандартных курсах квантовой механики изучаются следующие разделы
Интерпретации квантовой механики
Существует множество интерпретаций квантовой теории, которые иногда плохо согласуются друг с другом.
Интерпретации квантовой механики
Комментарии
- Обычно квантовая механика формулируется для нерелятивистских систем. Рассмотрение частиц с релятивистскими энергиями в рамках стандартного квантовомеханического подхода, предполагающего фиксированное число частиц в системе, сталкивается с трудностями, поскольку при достаточно большой энергии частицы могут превращаться друг в друга. Эти трудности устраняются в квантовой теории поля, которая и является самосогласованной теорией релятивистских квантовых систем.
- Важным свойством квантовой механики является принцип соответствия: в рамках квантовой механики доказывается, что в пределе больших величин действия (квазиклассический предел) и в случае, когда квантовая система взаимодействует с внешним миром (декогеренция), уравнения квантовой механики редуцируются в уравнения классической физики (см. Теорема Эренфеста). Таким образом, квантовая механика не противоречит классической физике, а лишь дополняет её на микроскопических масштабах.
- Некоторые свойства квантовых систем кажутся непривычными (невозможность одновременно измерить координату и импульс, несуществование определённой траектории частицы, вероятностное описание, дискретность средних значений наблюдаемых величин). Это вовсе не значит, что они неверны: это означает, что наша повседневная интуиция никогда не сталкивалась с таким поведением, т. е. в данном случае «здравый смысл» не может быть критерием, поскольку он годится только для макроскопических систем. Квантовая механика — самосогласованная математическая теория, предсказания которой согласуются с экспериментами. В настоящее время огромное число приборов, используемых в повседневной жизни, основываются на законах квантовой механики, как например — лазер или сканирующий туннельный микроскоп.
- Классическая механика оказалась неспособной объяснить движение электронов вокруг атомного ядра. Например, согласно классической электродинамике, электрон, вращающийся с большой скоростью вокруг атомного ядра, должен излучать энергию. Тогда его кинетическая энергия должна уменьшаться и он должен упасть на ядро. Для понимания процессов, происходящих на уровне элементарных частиц, потребовалась новая теория. Квантовая теория — это совершенно новый взгляд на систему, позволяющий с огромной точностью описать необычное поведение электронов и фотонов.[2]
См. также
Примечания
- ↑ Ф. А. Березин, М. А. Шубин. Уравнение Шрёдингера. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.
- ↑ Фейнман Р. КЭД-странная теория света и вещества — М: Наука, 1988. (Библиотечка «Квант»)
Литература
- Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. — 944 с.
- Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. 5-е изд. Наука, 1976. — 664 с.
- Боум А. Квантовая механика: основы и приложения. М.: Мир, 1990. — 720 c.
- Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М.: Наука, 1985. — 384 с.
- Дирак П. Принципы квантовой механики. 2-е изд. М.: Наука, 1979. — 480 с.
- Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — Издание 6-е, исправленное. — М.: Физматлит, 2004. — 800 с. — («Теоретическая физика», том III). — ISBN 5-9221-0530-2
- Садбери А. Квантовая механика и физика элементарных частиц. М.: Мир, 1989. — 488 с.
- Фадеев Л. Д., Якубовский О. А. Лекции по квантовой механике для студентов-математиков. Ленинград, Изд-во ЛГУ, 1980. — 200 c.
- Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Пер. с англ., Том. 8. Том 9., М., 1966—1967.
- К. Коэн-Таннуджи, Б. Диу, Ф. Лалоэ. Квантовая механика. Т.1. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2000. — 944 с.
- К. Коэн-Таннуджи, Б. Диу, Ф. Лалоэ. Квантовая механика. Т.2. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2000. — 800 с.
Ссылки
- Лорен Грэхэм «Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе, Глава X. Квантовая механика»
- Шрёдингер Э. Избранные труды по квантовой механике, — М..: Наука, 1976.
- Нейман И. Математические основы квантовой механики, — М.: Наука, 1964.
- Паули В. Общие принципы волновой механики, — М. — Л.: ГИТТЛ, 1947.
- Дирак П. А. М. Принципы квантовой механики (2-е издание), — М.: Наука, 1979.
- Фущич В. И., Никитин А. Г. Симметрия уравнений квантовой механики, — М.: Наука, 1990.
- Блохинцев Д. И. Принципиальные вопросы квантовой механики. М.: Наука, 1966.
- «Квантовая механика» — статья в Физической энциклопедии.
dic.academic.ru
Квантовая механика: теория, которую никто не может понять
Спецпроекты ЛГ / Научная среда / Теории, которые изменили мир
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!»
lgz.ru
