Причудливость квантовой теории Страница 1 из 5

К самому началу ХХ века теоретическая физика намечала триумфально сообщить о своей кончине: все основные законы нашего мира, как тогда казалось, были открыты, оставалась сущая ерунда. Мэтры науки даже отговаривали молодежь от занятий физикой. Никаких судьбоносных открытий не предвиделось. Оставались кое-какие облачка на горизонте. Мелочёвка, одним словом.





Одной из таких далеко не самых захватывающих проблем в эти годы занимался профессор Берлинского университета Макс Планк. Он практически всю жизнь работал над так называемым вторым началом термодинамики (о самом втором начале и термодинамике в целом нам еще придется поговорить, но позже) и как раз изучал спектр (распределение энергии) одного из видов светового излучения. Для описания этого спектра Планк предложил формулу, введя в нее кванты, т. е. отдельные порции энергии. Иными словами, Планк предложил рассматривать световое излучение как набор энергетических сгустков, причем эти сгустки имели совершенно определенные количественные значения.

Сам Планк был уверен, что предложенное им решение – временное, чисто математический прием, не имеющий к реальности никакого отношения. Но тем не менее 14 декабря 1900 года он озвучил свою формулу в докладе на заседании Немецкого физического общества. Собственно, теперь эта дата и считается датой рождения квантовой механики.

Но это теперь, а тогда Макс Планк еще многие годы не мог смириться с собственным открытием и всё пытался разыскать «истинное» решение задачи. Не поверил он и Эйнштейну, который пятью годами позже, в 1905 году, показал, что световое излучение действительно квантовано и хотя представляет собой волну, но одновременно и поток таких энергетических квантов, названных фотонами, о чем теперь знает (по крайней мере, должен знать) каждый школьник. А само явление, когда что-либо проявляет себя то как волна, то как частица, стали называть корпускулярно-волновым дуализмом.





Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858–1947), немецкий физик-теоретик, родоначальник квантовой механики, лауреат Нобелевской премии.

Причем выяснилось, что в квантовом мире такими свойствами обладают все материальные объекты: и поля, и элементарные частицы, и сами атомы, и даже определенные молекулы, которые к квантовому миру и не отнесешь, т. е. вся материя! А мы то с вами, которые из всего этого состоим, чем хуже? Как было бы удобно: становишься то таким, то сяким по необходимости. Хочешь себя утвердить (в прямом смысле слова) – проявляешь «корпускулярность» своих атомов. Нужно куда-нибудь быстренько переместиться, или проникнуть в щелочку, или даже сквозь какую-нибудь не слишком плотную стену, перешел в волновое состояние и полетел со скоростью близкой к скорости света… Но нет, пока не у всех получается.

Замечательной иллюстрацией необычного поведения волн-частиц микромира служит так называемый двухщелевой эксперимент. В самом начале XIX века с его помощью английский физик Томас Юнг «доказал», что свет – это волна (со времен Ньютона свет как раз считали потоком частиц). В XX веке этот эксперимент (и по сей день физики нет-нет, да проведут какую-либо из его разновидностей) позволил осознать двойственную природу микромира. То есть оказалось, что правы оба: и Ньютон, и Юнг.

Чтобы понять, что представляет собой этот эксперимент и к каким удивительным выводам он приводит, предлагаю посмотреть этот замечательный пятиминутный мультфильм:

 

Как только не изощрялись экспериментаторы (в том числе и в последние десятилетия), чтобы обмануть непокорные частицы: пытались изменить условия эксперимента прямо по ходу, например мгновенно вводя в действие, или, наоборот, исключая сложные детекторы, которые должны были фиксировать волновые или корпускулярные свойства частицы буквально на полпути от источника к экрану. Никакого эффекта эти манипуляции не дают. Если ученые пытаются зафиксировать электрон (фотон, нейтрон, протон и т. п.) как частицу, он всегда проявляет себя как частица: отображение на экране будет точечным. Если же в этом же эксперименте не пытаются этого делать или измеряют исключительно его волновые свойства, то проявляет себя как волна.

Всё это дало возможность некоторым физикам утверждать, что говорить, будто электрон обладает волновыми свойствами неверно. Волновыми свойствами обладает некая физическая реальность, которая при измерении проявляет себя как электрон (то же можно сказать о любой другой частице).

Но это только начало странностей, самое странное, конечно, впереди.

Представление о микромире как области всеобщего корпускулярно-волнового дуализма сформировалось у физиков к середине 20-х годов прошлого столетия. В 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер пришел к ключевому для квантовой физики понятию – волновой функции, которая отражала состояние микрообъектов. Он же сформулировал уравнение, описывающее изменение этого состояния во времени (которое стало основным уравнением квантовой механики). В том же году физик и математик из Германии Макс Борн предложил так называемую вероятностную интерпретацию волновой функции. После его работы стало очевидно, что волновая функция – это «волна вероятности» поведения квантовых систем. И что квантовая механика, в отличие от классической, – это наука, оперирующая  лишь вероятностями.

Все точки над i в этом вопросе расставил Вернер Гейзенберг, в тот момент новоиспеченный профессор Лейпцигского университета, сформулировав так называемый принцип неопределенности. Суть этого принципа сводится к тому, что невозможно одновременно установить координаты частицы и ее импульс (скорость). Так, если исследователь с достаточно высокой вероятностью определит местоположение частицы, то ее скорость останется для него тайной за семью печатями. И наоборот.

Вот и приходится физикам находить лишь вероятности местоположения частиц и их скорости. А привычное для многих из нас школьное пособие – модель атома, где вокруг ядра по своим орбитам вращаются электроны, на самом деле очень далека от реальности. Никаких орбит у электронов нет, а они образуют что-то типа окружающих ядра облаков разного энергетического уровня, называемых орбиталями, и при этом сами находятся везде и нигде одновременно. В том числе, возможно, и где-нибудь в соседней или даже отдаленной галактике. Или просто нигде. Так могут вести себя и сами атомы. По крайней мере, до момента измерения их параметров. И это вовсе не шутка и не бессмыслица.

Вот как описывает эту ситуацию известный популяризатор науки, американский физик, профессор Митио Каку:

Объясняя своим аспирантам странность и причудливость квантовой теории, я иногда прошу их рассчитать вероятность того, что атомы их тел вдруг разбегутся и соберутся заново по другую сторону кирпичной стены. Подобная телепортация запрещена в ньютоновской физике, но никак не противоречит законам квантовой механики. Ответ, однако, заключается в том, что такого события пришлось бы ждать до конца жизни вселенной и даже дольше. (Если бы вы при помощи компьютера построили график шрёдингеровой волновой функции для собственного тела, то выяснилось бы, что она очень сильно напоминает само тело, но выглядит как бы чуть-чуть лохматой, так как некоторые из ваших волн расползаются за его пределы во всех направлениях. Некоторые из них достигают даже отдаленных звезд. Поэтому существует все же крошечная вероятность того, что однажды вы вдруг проснетесь на далекой чужой планете). Митио Каку, «Физика невозможного».

  • 309
  • 20/09/2016


Поделись



Подпишись



Смотрите также

Новое