Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Наука прошлого для всех частей естественной истории вполне успешно использовала механический подход. Собственно, и сейчас практически весь школьный курс физики основывается именно на классической механике. Однако в конце девятнадцатого века по величественному зданию классической физики пробежали первые зловещие трещины непонятных парадоксов. Правда, вначале никто даже не подозревал, что вместо косметического ремонта фасада для сохранения хотя бы общих контуров постройки понадобится пересмотреть даже принципы закладки фундамента физического мировоззрения. Научная революция двадцатого века показала, как бывают драматичны судьбы научных идей, если знакомиться с ними не только по учебникам.

Впрочем, лучше всего было бы прислушаться к словам очевидцев и творцов тех впечатляющих научных свершений. Великий Эйнштейн писал по этому поводу: «Это драма, драма идей». А создатель целого раздела новой физики — волновой квантовой механики знаменитый французский физик Луи де Бройль впоследствии с горечью заметил: «Авторы, пишущие сейчас трактаты о квантовой механике, почти уже не говорят о тех основных идеях, которые ее породили. Они даже, видимо, предпочитают этот термин „квантовая механика“ термину „волновая механика“, который, как им кажется, вызывает в представлении неточный или бесполезный физический образ. А между тем именно волновая механика и выведенные из нее волновые уравнения остаются в основе всего математического развития современных квантовых теорий; без них сейчас, может быть, и не было бы трактатов о квантовой механике».

Своей наглядностью и простотой планетарная модель атома Резерфорда — Бора завоевала себе довольно много сторонников среди физиков, химиков и даже астрономов, увидевших в ней всеобщую схему строения Мироздания. При этом большинство ученых, ошеломленные потоком новой информации, даже не придавали особого значения вопиющим противоречиям с классической электродинамикой.

Работы Бора и его коллеги Арнольда Зоммерфельда привели к созданию так называемой формальной модели атома (форммодели), которая сыграла важную роль в истории атомной физики. Смысл загадочной предсказательной силы атомной форммодели пытались прояснить многие ученики и коллеги Зоммерфельда, в числе которых были Вольфганг Паули, Джордж Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит. Именно они придумали очень остроумную модель для наглядного объяснения целого ряда загадочных свойств форммодели атома, которую назвали спином микрочастиц. Вначале данное представление касалось только электрона, который стал напоминать микроскопический волчок, вращающийся вокруг своей оси. В общем-то, такая модель продолжала традицию развития аналогий между атомом и Солнечной системой, ведь кроме своего движения по эллиптической орбите вокруг Солнца наша планета вращается и вокруг своей оси.

Любопытно, что эту аналогию придумал раньше всех будущий нобелевский лауреат Артур Комптон (автор знаменитого «эффекта Комптона», состоящего в увеличении длины волны СВЧ-излучения при встрече с потоком электронов), но отказался от нее после резкой критики Паули. Молодой аспирант Зоммерфельда с жаром доказывал, что прямая аналогия между электроном и вращающимся микрообъектом не выдерживает критики.

С другой стороны, смысл образа квантовых волчков мог быть как-то связан с непонятным на то время принципом Паули, запрещавшим рассматривать сообщества двух «односпиновых частиц».

Кстати, именно данный принцип впервые позволил разумно объяснить физическую основу построения Периодической системы химических элементов Менделеева.

Критику Паули в свое время поддержал и Лоренц, который посчитал, что скорость вращения электрона легко может превысить скорость света, противореча принципам теории относительности.

Надо сказать, что гипотеза спина у квантовых микрообъектов до сих пор вызывает бурные дискуссии среди физиков. Впрочем, такова судьба всех достаточно глубоких представлений, затрагивающих основу Мироздания, осмысление которых каждое новое поколение ученых проводит на новом уровне.

Как бы то ни было, но форммодель атома вскоре исчерпала все свои возможности и вместе с планетарной схемой Резерфорда — Бора ушла в историю атомной физики. Тем не менее заслуги копенгагенской школы Бора в разработке новой квантовой механики просто неоценимы.

Укротив атом формальной моделью, ученые дружно принялись за поиск физического смысла загадочной волновой функции. Первого успеха здесь добились два признанных интеллектуальных лидера становления квантовой физики — Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер. Независимо друг от друга они получили решение задачи совершенно разными методами. Гейзенберг разработал так называемую матричную форму квантовой механики, а Шрёдингер вывел свое знаменитое уравнение, описывающее поведение квантовых систем.

Уравнение Шрёдингера математически представляет собой дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка. В математической физике подобные уравнения описывают поведение самых разных величин, меняющихся с течением времени, таких, как координаты космического корабля, скорость и высота волны-цунами или плотность энергии луча квантового генератора — мазера и лазера.

Волны материи

Хоть мы и говорим на каком-то определенном языке и используем определенные концепции, отсюда вовсе не обязательно следует, что в реальном мире имеется что-то этим вещам соответствующее.

Если мы приступим к решению любого из квантовых уравнений, то в конечном виде получим зависимость искомой величины от многих других параметров, скажем зависимость скорости от времени. В математике все подобные зависимости, когда одна или несколько величин зависят определенным образом от другой величины (группы величин), носят название функции.

В уравнении Шрёдингера искомой величиной является так называемая волновая функция. Эта загадочная пси-функция (обозначаемая данной буквой греческого алфавита) прекрасно работает в технических расчетах той же квантовой оптики, но ее физический смысл до сих пор служит почвой изредка разгорающейся научной полемики. Единственное, что тут вроде бы не вызывает разногласий, — это то, что возведенная в квадрат пси-функция описывает вероятность того или иного события в квантовом мире. Иначе говоря, квадрат волновой функции дает возможность вычислить вероятность нахождения микрочастицы в определенной области пространства в заданный момент времени. Таким образом, определяется вероятность того, что произвольный квантовый объект будет находиться в определенном месте и в определенное время в результате неких процессов, с ним происходящих. Чаще всего это выглядит как решение задачи определения параметров микрообъекта после его взаимодействия с измерительным прибором. Эта вероятность формирует понятие так называемых «волн вероятности», определяющих статистическое распределение следов микрочастиц в опытах дифракции.