Глава седьмая

Кванты

Упрощение понимания

Если кто-то заявляет, что знает, что такое квантовая теория, он не понял ее.

(Ричард Фейнман)

Мы зависли на краю квантовой теории, погрузив большой палец ноги в ее кишащий опасностями бассейн. Пришло время нырнуть. Чтобы оценить значение воздействия этой необычайной теории, нужно заметить, что до конца девятнадцатого века волны были недвусмысленными волнами, а частицы были недвусмысленными частицами. На беду для наивного способа понимания, это определение не смогло пережить рубеж веков. К концу столетия из-за разброса наблюдений в классической физике завелся вирус. За несколько десятилетий двадцатого века занесенная им болезнь сокрушила классическую физику полностью. Этот вирус не только уничтожил некоторые из наиболее ценимых концепций классической физики, такие как частица, волна и траектория, но также разорвал в клочья наше устоявшееся понимание устройства реальности.

На месте классической физики — физики Ньютона и его прямых наследников (глава 3) — выросла квантовая механика. Никогда прежде не появлялась теория вещества, которая вызывала бы столько ужаса у философов. И никогда прежде не появлялась теория вещества, которая в руках физиков оказалась бы столь достоверной. Никаких исключений из предсказаний квантовой механики никогда не наблюдалось, и никакая теория не проверялась столь интенсивно и с такой высокой точностью. Проблема состоит в том, что, хотя мы можем пользоваться этой теорией с большим искусством и уверенностью, и несмотря на сто лет обсуждений, никто вполне не знает, что все это значит. Тем не менее существует оценка, что 30 процентов валового национального продукта США зависит от приложений квантовой механики в той или иной форме. Неплохо для теории, которую никто не понимает. Подумайте о потенциальных возможностях роста и повышения качества жизни (или неизбежного повышения качества смерти при развитии квантовых вооружений), которые могут быть выявлены, если мы вдруг поймем ее!

Вирус, которому предстояло разрушить классическую физику, был впервые обнаружен в конце девятнадцатого века физиками, изучавшими одну непроясненную проблему, связанную с излучением света нагретым телом. Чтобы понять, что произошло, нам следует знать, что свет есть форма электромагнитного излучения, а это означает, что он состоит из волн электрического и магнитного полей, распространяющихся со скоростью света, с. Длина волны этого излучения есть расстояние между гребнями волн и для видимого света составляет около 5 десятитысячных миллиметра. Каждый скажет, что это очень мало: да, но это почти можно вообразить — просто представьте себе миллиметр, разделенный на тысячу кусочков, а затем разрежьте один из этих кусочков пополам. Свет различных цветов соответствует различным длинам волн излучения: красный свет имеет относительно большую длину волны, а синий свет — относительно малую (рис. 7.1). Белый свет является смесью всех цветов света. Малые изменения длины волн имеют значительные последствия: свет, используемый в дорожном движении, меняется от красного, через желтый к зеленому, с длиной волны, убывающей от 7,0 до 5,8, и затем до 5,3 десятитысячных миллиметра, и водители реагируют нужным образом на эти ничтожные изменения. Микроволновое излучение, используемое в микроволновых печах, тоже является электромагнитным излучением, но имеет длину волны в несколько сантиметров, что вообразить легко.

Рис. 7.1. Электромагнитный спектр и классификация разных его областей. Видимая часть спектра занимает очень узкую область длин волн, и длины волн (расстояния между соседними гребнями в волне, как показано на вставке) соответствующих цветов, воспринимаемых нами, даны в нанометрах (миллиардных долях метра) в прямоугольнике «Видимый свет». Числа в высоком вертикальном прямоугольнике представляют собой степени, в которые надо возвести десять, чтобы получить частоту в циклах в секунду (герцах, Гц), например, 8 указывает частоту 10⁸ Гц (сто миллионов циклов в секунду). Классификация областей не является жесткой, и у спектра нет ни верхней, ни нижней границы.

Нам также потребуется знать, что такое частота: если вы вообразите себя стоящим в точке, через которую перекатывается волна, то частотой будет число гребней, проходящих мимо вас за секунду. Длинные световые волны имеют низкую частоту, потому что мимо вас в секунду проходит лишь малое число гребней; коротковолновой свет обладает высокой частотой, поскольку мимо вас проходит много гребней. Для видимого света за секунду проходит около 600 триллионов (6×10¹⁴) гребней, поэтому о его частоте говорят как о частоте в 6×10¹⁴ циклов в секунду (6×10¹⁴ герц, Гц). Красный свет имеет относительно низкую частоту, всего около 440 триллионов циклов в секунду; голубой свет имеет относительно высокую частоту, около 640 триллионов циклов в секунду. Мы воспринимаем это излучение как имеющее разные цвета, потому что разные рецепторы в наших глазах соответствуют разным частотам. Реальные числа в этой иллюстрации не имеют значения для дальнейшего, но знание их типичных значений и различных областей электромагнитного спектра является частью обшей культуры.

К концу девятнадцатого века были идентифицированы и выражены в виде законов две характеристики света, излучаемого нагретым телом, так называемого «излучения черного тела». В 1896 г. немецкий физик Вильгельм Вин (1864-1928) заметил, что интенсивность излучения черного тела, то есть яркость раскаленного тела, была наибольшей на длине волны, которая зависит от температуры по простому закону. Эта характеристика знакома нам качественно по повседневной жизни; ведь мы знаем, что объект светится при нагревании сначала красным свечением, а затем, когда его температура повышается еще больше, белым свечением. Этот сдвиг свечения указывает на то, что все больше и больше синего (коротковолнового) света добавляется к первоначально красному (длинноволновому) накалу по мере возрастания температуры, так что максимум интенсивности сдвигается к более коротким длинам волн. В 1879 г. австрийский физик Йозеф Стефан (1835-93) исследовал другое знакомое нам повседневное явление, резкое возрастание полной интенсивности излучаемого света при росте температуры, и выразил эту количественную зависимость в виде закона.

Ни закон Вина, ни закон Стефана не удавалось объяснить в рамках классической физики, несмотря на напряженные усилия очень талантливых теоретиков. В лекции, прочитанной 27 апреля 1900 г. в Королевском обществе, лорд Кельвин назвал неудачу попыток объяснить излучение черного тела одной из двух маленьких черных тучек, появившихся на горизонте классической физики (другой черной тучкой была неудача попыток обнаружить движение сквозь эфир). Двум черным тучкам Кельвина суждено было перерасти в бурный шторм, которому предстояло смыть наши концепции мира, способы, которыми мы производим наши расчеты и интерпретируем наши наблюдения, и наше понимание глубинной структуры реальности.

В состоянии раздражения Макс Планк (1858-1947) непреднамеренно и невольно породил квантовую теорию. 19 октября 1900 г. он предложил уравнение, которое, как казалось, объясняет законы Вина и Стефана, и в последующие недели бился над тем, чтобы дать своему выражению теоретическое обоснование. На лекции, прочитанной перед Германским физическим обществом 14 декабря 1900 г. — эта дата теперь считается днем рождения квантовой теории, — он представил свое решение. Во-первых, он изобразил излучение как явление, управляемое колебаниями осциллирующих атомов и электронов в нагретом теле, причем каждая частота колебаний соответствовала присутствию в излучении отдельного цвета. Это была стандартная точка зрения, и все его современники поступали именно так. Его современники также молчаливо предполагали, что энергия, каждого из этих осцилляторов меняется непрерывно, так же (думали они), как качание маятника может иметь любую амплитуду. Планк, однако, принял радикально иную точку зрения. Он предположил, что энергия каждого осциллятора может меняться лишь дискретными шагами, скорее по лестнице, чем по скату. Более точно, он предположил, что энергия осциллятора данной частоты является величиной кратной ħ × частота, где ħ — новая универсальная константа, которую теперь называют постоянной Планка. То есть, он предположил, что для любого данного осциллятора лестницей допустимых энергий является величина ħ × частота, взятая 0, 1, 2, … раз.

Величина ħ настолько мала, что шаги энергии для большинства форм электромагнитного излучения (особенно для излучения, которое мы называем видимым светом) являются тоже малыми, так что их невозможно зарегистрировать, не прибегая к изощренным методам. Поэтому легко понять, как физики пришли к мысли, что энергия может меняться непрерывно. Разве, глядя на маятник, мы можем заключить, что амплитуда его колебаний меняется скачками?[29] Однако скачкообразное изменение энергии является единственным способом объяснить свойства излучения черного тела, и скачкообразное изменение энергии — ее квантование — теперь установленный факт.

В частном разговоре Планк признавался своему сыну, что думал о своем открытии, как о сравнимом с открытием Ньютона. Тем не менее большую часть оставшейся жизни он отчаянно, но безрезультатно пытался объяснить квантование в контексте классической физики. Здесь заключаются два урока, полезных для нашего понимания научного метода. Один из них состоит в том, что революционные идеи набирают силы, сопротивляясь постоянным атакам. В отличие от других областей приложения человеческих сил, где сумасшедшие идеи без вопросов принимают в объятия, как дорогих и долгожданных друзей, в науке сумасшедшая идея есть предмет постоянных нападок, особенно — в самом деле, особенно — если она ниспровергает устоявшуюся парадигму. Второй урок заключается в том, что старики (и старухи, хотя для них в силу положения дел и к нашему сожалению, сегодня меньше эмпирических свидетельств) не лучшие проповедники радикальной науки, так как глубоко пропитаны условностями, заложенными в них воспитанием, которыми они, как правило, возмущались, проходя обучение. Как новые нравы, новые парадигмы принимаются только тогда, когда старое поколение вымирает.

Как бы то ни было, революционная, безумная идея Планка о том, что энергия распадается на куски, что она скорее является гранулированной, чем гладкой, что она больше похожа на песок, чем на воду, идея, которой предстояло преобразовать наше восприятие реальности, была встречена молчанием. Сначала ее считали математическим трюком. Физическая реальность этого предложения выявилась только в 1905 г., когда гладиатор Эйнштейн вступил на арену, вынул из ножен свой математический меч и сразил еще одного классического дракона.

Чтобы опознать этого дракона, нам придется снова погрузиться в атмосферу физики конца девятнадцатого века, этого лежбища драконов. На протяжении этого века все уверились, что свет — говоря шире, электромагнитное излучение — является волнообразным: он распространяется как волна. Эта уверенность существовала не всегда. Ньютон, позже поддержанный Лапласом, настаивал на том, что свет является потоком частиц, но экспериментальные свидетельства, полученные в девятнадцатом веке, убедили всех, что свет является волной. Наиболее убедительным свидетельством было явление дифракции, впервые описанное дотошным наблюдателем Леонардо да Винчи (1452-1519) и исчерпывающе и количественно изученное такими авторитетными физиками, как Гюйгенс, Юнг и Френель. Одним из наиболее драматических подтверждений волновой теории света было предсказание того, что в центре тени от сферического или круглого экрана, освещенного с другой стороны, должно находиться пятно света (рис. 7.2). В 1818 г. Огюст Френель (1788-1827) послал работу о теории дифракции на конкурс, проводимый Французской академией. Математик Пуассон, член жюри конкурса, отнесся весьма критично к волновой теории света и вывел из теории Френеля очевидно, абсурдное предсказание, за круглым препятствием должно появляться яркое пятно. Однако другой член жюри, Франсуа Араго, решил поискать яркое пятно Пуассона и обнаружил его экспериментально. В результате Френель выиграл конкурс, а волновая теория света была должным образом принята и стала неопровержимой с виду парадигмой. Итак, драконом оказался волновой характер света.

Рис. 7.2. Пятно Пуассона. В соответствии с волновой теорией света предсказано, что при помещении непрозрачного диска перед лампой в центре его тени появляется белое пятно.

Эйнштейн сразил дракона в 1905 г., когда показал, что свет все же следует считать состоящим из частиц. Эйнштейновское уничтожение парадигмы состояло из двух частей. Во-первых, он проанализировал термодинамические свойства электромагнитного излучений внутри нагретой полости и показал, что, для того чтобы соответствовать наблюдениям Планка, излучение должно состоять из частиц, а не из волн. Эти частицы света через десятилетие были названы фотонами, и мы будем далее использовать это наименование.

Вышло так, что предположение Эйнштейна встретило немедленную экспериментальную поддержку в виде фотоэлектрического эффекта, при котором электроны испускаются поверхностью металла, подвергаемого ультрафиолетовому облучению. Фотоэлектрический эффект имел некоторые странные свойства, объяснение которых выходило за рамки компетенции теории света. Однако они немедленно получали объяснение, как только этот эффект изображался в виде результата столкновения электрона и подлетающего фотона. Эта модель привела к точному расчету фотоэлектрического эффекта и была одним из достижений, упомянутых при получении Эйнштейном в 1921 г. Нобелевской премии по физике. Это была маленькая совместная шутка судьбы и физики, поскольку мы теперь знаем, как рассчитать фотоэлектрический эффект в терминах электромагнитных волн, так что это частное, подтверждение существования фотонов, все еще воспроизводимое в учебниках (включая написанный мной) как неопровержимое свидетельство, трещит по швам. Однако существование фотонов теперь вне сомнений, поскольку имеются многочисленные свидетельства других видов.

Примирение нового и экспериментально бесспорного взгляда на свет, как на состоящий из частиц, и старого и экспериментально бесспорного взгляда на свет, как на состоящий из волн, когда оно было предложено, оказалось, как можно себе вообразить, весьма трудным. Эта трудность сохраняется даже по сию пору, и мы еще вернемся к ней позже.

Теперь квантовый вирус проник в тело классической физики, и болезнь начала распространяться. Второй вклад Эйнштейна в становление квантовой теории также был сделан в судьбоносные 1905-1907 гг. Этот вклад решал более обыденную загадку, связанную с подъемом температуры материалов при их нагревании. Изучаемым свойством была теплоемкость вещества, представляющая собой меру тепла, требуемого для того, чтобы увеличить его температуру на заданную величину. Еще в 1819 г., с беззаботной уверенностью, которая пришла из разрозненных экспериментальных результатов и находящейся еще в колыбели системы их обработки, французские ученые Пьер-Луи Дюлонг (1785-1838) и Алекси-Терез Пти (1791-1820) объявили, что с поправкой на число атомов в образце все вещества имеют одну и ту же теплоемкость. Все им поверили, хотя это очевидно неверно. Пятьдесят лет спустя, когда стал доступным больший объем данных и физики начали измерять теплоемкость при низких температурах, с неизбежностью стало очевидно, что закон Дюлонга и Пти был плохим описанием природы и, в частности, что все теплоемкости стремятся к нулю при понижении температуры.

Классическая физика могла объяснить закон Дюлонга и Пти с триумфальной легкостью из предположения, что тепло поглощается атомами, колебания которых становятся все более и более сильными. Поэтому представителей классической физики приводила в уныние необходимость признать, что этот закон неверен при низких температурах, а во многих случаях при комнатной температуре тоже. Проблема оставалась неразрешенной до тех пор, пока в 1906 г. на нее не обратил внимание необычайный ум Эйнштейна. Он принял концепцию осциллирующих атомов, но, вторя Планку, ввел решающее предположение, что атомы колеблются с энергиями, возрастающими скачками, как бы прыгая вверх по лестнице энергетических уровней. При низких температурах энергии окружения недостаточно, чтобы заставить атомы осциллировать. При высоких температурах имеется достаточно энергии, чтобы все атомы осциллировали, и теплоемкость выросла до классического значения Дюлонга и Пти. Эйнштейн сумел вычислить зависимость теплоемкости от температуры и получил довольно хорошее согласование с наблюдениями. Через несколько лет его модель усовершенствовал датский физик Питер Дебай (1884-1966), и это усовершенствование, не содержащее существенно новых идей, дало превосходное согласование с экспериментом.

Вклад Эйнштейна был решающе важным, потому что он распространил концепции, возникшие из исследования электромагнитного излучения, на чисто механическую систему колеблющихся атомов. Вирус совершил межвидовый переход от излучения к веществу.

Как только вирус обосновался в веществе, также как в излучении, болезнь подточила здоровье всей классической физики. Существуют даты и достижения вдоль всей линии развития, пролегающей от 1906 г., особенно порожденная богатым воображением, но несостоятельная модель атома водорода, предложенная в 1916 г. знаменитым датским физиком Нильсом Бором (1885-1962), которая, как сначала казалось, подтверждала применимость квантовых концепций к системе частиц. Однако решающей датой для нашего обсуждения явился 1923 г., когда вирус добрался до самого сердца вещества и разрушил понятие частицы.

Хотя такие серьезные ученые, как Ньютон, придерживались точки зрения, что свет состоит из частиц, так что введение фотона не оказалось полностью сюрпризом, ни один серьезный ученый — за исключением нескольких обаятельно предприимчивых и занимавшихся обширными спекуляциями древних греков — не придерживался точки зрения, что вещество подобно волнам. Тем не менее в 20-е гг., пока общественность хлопала ушами, в точности эта самая концепция появилась и пустила корни. Отцом идеи стал герцог Луи де Бройль (1892-1987), потомок семьи, введенной во дворянство Людовиком XIV.

Вклад де Бройля в этот революционный взгляд был основан на обнаруженной им аналогии между распространением света и распространением частиц. Он рассуждал релятивистски, но мы можем проникнуть в его аргументацию без этого усложнения. Главной чертой геометрической оптики, версии оптики, которая исследует, как отражаются от зеркал и преломляются линзами световые лучи в виде прямых линий, является то, что лучи движутся по путям, соответствующим кратчайшему времени пробега между источником и местом назначения. Это утверждение по существу является принципом наименьшего времени, предложенным в 1657 г. французским советником кассационной палаты и хотя и любителем, но выдающимся математиком Пьером Ферма (1601-65), как обобщение наблюдений, которые Герон из Александрии проделал около 125 г. до н.э. и изложил их в поздней «Катоптрике».[30] Более точное название — принцип стационарного времени: странный оборот «стационарное время» просто означает, что время прохождения пути может быть либо минимальным, либо, в определенных случаях, максимальным. Мы ограничим наше обсуждение путями с наименьшим временем, но наши замечания легко можно распространить также и на пути с наибольшим временем. Загадка, с которой мы немедленно сталкиваемся, состоит в следующем: откуда свет, как кажется, заранее узнает путь, на прохождение которого будет затрачено наименьшее время? Если он начал двигаться по неверному пути, не будет ли более экономичным по времени продолжить движение, чем возвращаться к источнику и начинать сначала?

Волновая теория света приходит на помощь особо элегантным способом. Предположим, что мы рассматриваем произвольный путь между двумя заданными точками и представляем себе волну, извивающуюся по этому пути (рис. 7.3). Рассмотрим затем путь, лежащий очень близко к первому и волну, извивающуюся также и вдоль него. В пункте назначения гребни и впадины волн, прибывших этими разными путями, уничтожают друг друга: эта взаимная аннигиляция называется деструктивной интерференцией. Интерференция является характеристикой движения волн: она видна на поверхности воды, когда впадины одной ряби совпадают с гребнями другой, и смещение воды гасится. Однако существует один путь, для которого различие между гребнями соседних волн столь мало, что они не уничтожают, а усиливают друг друга: это взаимное усиление называется конструктивной интерференцией. Это явление также наблюдается в рябях на воде, когда гребни совпадают и смещение воды увеличивается. Пути, на которых интерференция конструктивна, это пути очень близкие к прямой линии — в общем случае, к пути с наименьшим временем пробега — между источником и пунктом назначения.

Рис. 7.3. На верхнем рисунке мы видим искривленный путь между двумя фиксированными точками и другой искривленный путь, близкий к нему. На этих путях нарисованы волны с одинаковой длиной волны. Хотя они начинают путь с одной и той же амплитудой, когда они достигают конечной точки, их амплитуды сильно различаются. Если бы мы представили себе полный пучок волн, бегущих по близким путям, мы смогли бы увидеть, что амплитуды в конечной точке все очень различны и интерферируют деструктивно, давая в результате нулевую амплитуду. На нижнем рисунке мы видим то же самое, но для прямолинейного пути и одного из путей, близких к нему. В этом случае все волны, прибывающие в конечную точку, имеют очень похожие амплитуды и не интерферируют деструктивно. Мы делаем заключение, что при полной свободе передвижения по любому маршруту, единственным выживающим путем оказывается путь, близкий к прямой линии.

Теперь мы подходим к сути этой аргументации. Свет не знает заранее и не имеет необходимости знать, какой из путей окажется путем с наименьшим временем пробега: он испытывает все пути, но только на путях, очень близких к пути с наименьшим временем пробега, волны не гасят друг друга. Деструктивная и конструктивная интерференции становятся тем более точными, чем короче длина волны света, и только геометрическая прямая линия выживает при бесконечно малой длине волны, которая и является тем пределом, в котором физическая (волновая) оптика становится геометрической оптикой. Полная свобода действий дает в результате ясно выраженное правило. Это наипрекраснейший вид научного объяснения, когда волк полного отсутствия ограничений появляется в шкуре овечки систематического поведения, анархия появляется в виде правил, беспорядок служит основой порядка, а свобода обоснованием контроля.

Держа в уме это объяснение, обратимся к рассмотрению частиц. Путь частицы, в соответствии с классической механикой, определяется силами, действующими на нее в каждый момент (как мы это видели в главе 3). Однако, так же как и в случае распространения волн, мы можем свести это описание к утверждению, касающемуся полного пути. В 1744 г. французский математик и астроном Пьер-Луи Моро де Мопертюи (1698-1759) объявил, что путь, проходимый частицей, таков, что ассоциированная с ним величина, называемая действием, является минимальной. К своему принципу наименьшего действия Мопертюи пришел скорее из теологических, чем из физических соображений, поскольку в своем Essai de cosmologie (1759) он утверждал, что Божественное Бытие несовместимо ни с чем, отличным от предельной простоты и наименьшего расходования усилий. К несчастью для этой точки зрения, современная версия принципа признает, что в некоторых случаях частица выбирает путь наибольшего действия, поэтому более удачным названием является принцип стационарного действия. Для простоты мы ограничимся путями наименьшего действия.

Определение «действия», данное Мопертюи, было темным и менялось в зависимости от задачи, за которую он брался; тем не менее в нем заключалось зерно правильной идеи, которую выразил в математически строгой, но ограниченной форме шведский математик Леонард Эйлер (1707-83), а затем, почти в то же время, в 1760 г., Жозеф Луи Лагранж (1736-1813) придал ей окончательный вид. Эти исторические перипетии, однако, не должны нас отвлекать: важным здесь является то, что существует вполне определенная величина, называемая «действием» — представьте себе, что оно сродни «усилию» — и частица выбирает путь, соответствующий наименьшему действию, наименьшему усилию. Загадка, с которой нам немедленно приходится столкнуться — теперь я перефразирую слова, сказанные мною выше — состоит в следующем: откуда частица, как кажется, заранее узнает путь, дающий в результате наименьшее действие? Если она начала двигаться по неверному пути, не будет ли более экономичным по отношению к действию продолжить движение, чем возвращаться к источнику и начинать сначала?

Де Бройль был поражен аналогией между основными законами оптики и законами динамики частицы, выраженными в виде принципов наименьшего времени и наименьшего действия соответственно. Он видел, что проблема кажущегося наличия у частицы предварительного знания о том, какой путь будет соответствовать наименьшему действию, могла быть решена в точности тем же способом, что и для света, при условии, что с частицей можно ассоциировать волну. Тогда анархия приводила бы к закону: волны, ассоциированные с частицей, исследовали бы все пути между источником и местом назначения, и только те из них, которые соответствуют прямой линии (если нет никаких действующих сил, или, в более общем случае, если присутствующие силы действуют аналогично зеркалам и линзам) подверглись бы конструктивной интерференции и выжили бы в процессе взаимного уничтожения со своими соседями. Эта аннигиляция становилась бы все более точной с уменьшением длины волны этих «волн вещества», и в пределе бесконечно малой длины волны мы вновь получили бы вполне определенный путь в пространстве. Иными словами, появилась бы ньютоновская динамика с частицами, следующими по точным траекториям.

Исследуя эту аналогию, де Бройль смог вывести выражение для длины волны своих волн вещества:

Длина волны = ħ / импульс,

где ħ — постоянная Планка, а импульс частицы является произведением его массы и скорости (как мы видели в главе 3). Таким образом, постоянная Планка (напомним, что Планк называл свою постоянную «квантом действия») входит в описание динамики вещества на очень глубоком уровне, касаясь самого сердца движения. Отметим, что из-за ее вхождения в импульс в знаменателе этого выражения появляется масса, поэтому можно ожидать, что большие массы (мячи, люди, планеты) имеют крайне малые длины волн. Ваша длина волны, когда вы бодро проходите 1 метр в секунду, составляет приблизительно лишь 1×10⁻³⁵ м, поэтому ваше движение можно интерпретировать в соответствии с динамикой Ньютона, и вы можете путешествовать, не слишком опасаясь подвергнуться дифракции и оказаться в Падуе вместо Пизы. Вряд ли надо удивляться, что волны столь малой длины прошли незамеченными и что ньютоновская динамика оказалась столь успешной в применении к видимым, «макроскопическим» телам. Однако, когда рассмотрению подвергаются электроны, мы входим в другой мир, поскольку они настолько легки, что их импульсы малы, а длины волн соответственно велики. Длина волны электрона в атоме сравнима с диаметром самого атома, и для них ньютоновская динамика больше не может служить приемлемым приближением.

Де Бройль поистине заслужил свою Нобелевскую премию, которая и была ему вручена в 1929 г. за «открытие волновой природы электрона». Нобелевский комитет, однако, был не вполне прав в своей формулировке: волновая природа частиц, обнаруженная де Бройлем, присуща всем частицам, а не только электронам. Электроны являются легчайшими из общеизвестных частиц, поэтому его предположение для них наиболее очевидно; но не существует частицы или скопления частиц (включая мячи, людей и планеты), в принципе не обладающих связанным с ними волновым характером. Существование этого волнового характера было подтверждено экспериментальной демонстрацией того, что электроны проявляют наиболее характерную черту волн, дифракцию. В 1927 г. американец Клинтон Дэвиссон (1881-1958) заслужил свою порцию Нобелевской премии 1937 г., показав, что электроны дифрагируют на одиночном кристалле никеля, а Джордж Томсон (1892-1975), работая в Абердине, заслужил свою долю премии, показав, что они дифрагируют, проходя через тонкую пленку. С тех пор подвергались дифракции целые молекулы. Привлекательным аспектом семейной науки является то, что Дж.П. Томсон получил свою премию за демонстрацию того, что электрон является волной, в то время как его отец, Дж.Дж. Томсон, получил свою за демонстрацию того, что электрон является частицей. Завтрак у Томсонов, возможно, бывал подернут ледком.

Мы находимся в том моменте, когда революция уже висела в воздухе, хотя не была еще полностью сформированной и не осознавалась. Даже де Бройль на самом деле не знал, что он имел в виду под своими «волнами вещества». Что, однако, было установлено, так это дуальность вещества и излучения, то, что они обладают характеристиками как волн, так и частиц. Было показано, что свет, который долго считали подобным волне, имеет и другое лицо и ведет себя как частицы. Было показано, что вещество, которое долго считали состоящим из частиц, имеет второе лицо и ведет себя как волна. И снова на ум приходит образ куба (рис. 6.12), у которого один ракурс выглядит для нас как квадрат, а другой как шестиугольник.

Вирус, который теперь разрушил наиболее нежно лелеемые концепции физики, вошел в полную силу в 1926 г., когда природа волн вещества де Бройля начала проясняться. Как мы увидим далее, мало-помалу стало ясно, что наш уничижительный термин «вирус» не слишком уместен, поскольку постепенное выметание затемняющей пыли классической физики выявило гораздо более простой, ясный и понятный мир внутри. Старшее поколение, пропитанное классической традицией, не сумело найти выражения для новой простоты и в результате только сбивало с толку молодых. В дальнейшем я надеюсь показать молодым и восприимчивым умам ту простоту, которую квантовая механика внесла в наше понимание мира.

Прожектор новых достижений теперь поворачивается, чтобы осветить двух гигантов квантовой теории, загадочного немца Вернера Гейзенберга (1901-76) и романтически решительного австрийца Эрвина Шредингера (1887-1961). Каждый из них сформулировал уравнения, позволяющие нам вычислять динамические свойства частиц (к которым мы будем и далее обращаться), заменяющие ньютоновские законы движения. Их формулировки, называемые соответственно матричной механикой и волновой механикой, выглядели совершенно непохожими друг на друга, и их философии соответственно были различными. Но вскоре было показано, что обе формулировки математически идентичны, так что конкурирующие философии стали делом персонального выбора. Математике присущи эти повадки хамелеона, отображающего себя в физический мир различными, но эквивалентными путями, для того, чтобы мы никогда не спешили с презрением относиться к чужой формулировке, поскольку может оказаться, что она эквивалентна нашей собственной. Смесь матричной и волновой механик теперь принято называть квантовой механикой, и далее мы будем использовать только этот термин.

Здесь не место вдаваться в детали квантовой механики или следовать хронологии ее формулирования. Вместо этого я сделаю коктейль из обоих подходов и таким образом покажу вам суть квантовой механики, не перегружая вас деталями. Я отвлекусь от ее истории и сосредоточусь на главных моментах ее содержания. Вы должны быть готовы встретиться с рядом беспокоящих и странных идей, но я проведу вас через их строй со всеми предосторожностями.

Одним из наиболее знаменитых и спорных аспектов квантовой механики является принцип неопределенности, сформулированный Гейзенбергом в 1927 г. Гейзенберг намеревался показать, что, учитывая установленную де Бройлем связь между длиной волны и импульсом, существуют ограничения на информацию, которую мы можем получить о частице. Например, если мы хотим определить положение частицы с помощью микроскопа, нам придется использовать хотя бы один фотон для ее наблюдения, и чем более точно мы хотим измерить положение, тем короче должна быть длина волны фотона, который мы должны использовать. Выражаясь более общим образом, мы не можем определить что-либо с точностью, превосходящей длину волны излучения, которым мы для этого пользуемся: так, используя видимый свет, мы не можем определить положение чего-либо с точностью большей чем 5 десятитысячных миллиметра. Звук с длиной волны, близкой к 1 м, не позволяет нам локализовать его источник с точностью, превышающей 1 м; вот почему летучие мыши вынуждены использовать очень высокие частоты, короткие длины волн в своей эхолокации. Однако существует цена, которую приходится платить за использование коротковолнового электромагнитного излучения при определении местоположения частицы. Когда фотон сталкивается с частицей, он передает ей часть своего импульса, и из соотношения де Бройля мы можем заключить, что величина передаваемого импульса возрастает с уменьшением длины волны фотона. Таким образом, когда мы увеличиваем точность нашего знания о положении частицы, наша осведомленность о значении ее импульса расплывается. Детальный анализ этой проблемы, проведенный Гейзенбергом, дал ему возможность вывести свой прославленный результат:

неопределенность положения × неопределенность импульса не меньше чем ħ.

Нам следует считать принцип неопределенности Гейзенберга экспериментальным результатом даже несмотря на то, что микроскопический эксперимент, который мы описали, не был проведен явно: принцип неопределенности, в том виде, в котором он был сформулирован Гейзенбергом, является итогом тщательного анализа систематизированных экспериментов в свете современных знаний. Конечно, настоящий эксперимент мог бы дать и результат, совершенно отличный от того, который мы предсказываем для одного из этих gedanken (мысленных) экспериментов; это в конечном счете самая суть роли экспериментов в научном методе. Однако при условии, что наше понимание верно, если современная наука состоятельна, то заключение Гейзенберга правильно.

Классическая физика, которая совсем ничего не знала об импульсе фотона, поскольку ничего не знала о самих фотонах и пребывала в неведении о постоянной Планка, основывалась на точке зрения, что положение и импульс можно одновременно узнать с произвольной точностью. Теперь возникает вопрос: как принцип неопределенности — который нам следует считать фундаментальным описанием природы и глубоким отходом от классической физики — может быть включен в математическое описание движения? В классической физике мы представляли себе, что положение и импульс частицы меняются со временем и развертываются во времени как вполне определенная траектория частицы.

Мы можем подойти к ответу следующим образом. Очевидно, что для любого заданного момента мы можем написать:

положение × импульс − импульс × положение = 0.

Например, если положение измеряется расстоянием в две единицы от некоторой точки, а импульс измеряется тремя единицами, то первый член в левой части дает 2×3 = 6 единиц, а второй член дает 3×2 = 6 единиц, и их разность, очевидно, равна нулю. Однако, каким бы очевидным ни было это сокращение членов, в квантовой механике оно совершенно определенно не верно. Проще говоря, поскольку мы не знаем одновременно положение и импульс, мы не можем быть уверены, что каждый член в точности равен 6 единицам (или тому, что дают наши измерения), поэтому возможно, что первый член в этом выражении отличается от второго на какую-то величину, имеющую порядок постоянной Планка. Великим достижением Гейзенберга была демонстрация того, что экспериментально подтвержденное утверждение о мире, соотношение неопределенностей для положения и импульса, может быть получено только, если правая часть выражения не равна нулю, а представляет собой, на самом деле, постоянную Планка, ħ:[31]

положение × импульс − импульс × положение = ħ.

Классические физики молчаливо предполагали, что правая часть этого коммутационного соотношения равна нулю, и на этом основании построили чудесное здание классической физики. Теперь мы знаем, что правая часть не равна нулю, но столь мала, что заблуждение классических физиков не удивительно. Тот факт, что правая часть не равна нулю, имеет глубокие следствия и является той малостью, которая сокрушила классическую физику.

Гейзенберг, при сотрудничестве своих коллег, — Макса Борна (1882-1970) и Паскуаля Иордана (1902-80), нашел как включить в квантовую механику ненулевую правую часть выражения для положения и импульса. Шредингер тем временем нашел другой путь. Вспомните, что де Бройль предположил, что существуют волны вещества как-то «ассоциированные» с частицами и что, принимая во внимание интерференцию, выживающая волна распространяется по пути наименьшего действия. Довольно легко найти правила, по которым волна ощупью пробирается через пространство, чтобы найти путь выживания. Эти правила и являются содержанием уравнения Шредингера.[32] Прославленное уравнение показывает, как волна вещества меняется от точки к точке, и оказывается, что, для того чтобы сформулировать его, необходимо использовать в точности то же самое выражение для положения и импульса, которое Гейзенберг должен был использовать, чтобы пробить брешь в классической физике. Центральная роль этого соотношения в обеих формулировках является основной причиной, по которой подходы Гейзенберга и Шредингера математически эквивалентны.

Когда мы решаем уравнение Шредингера, мы получаем математические выражения для формы волн вещества. Термин «волна вещества» больше не используется, как и его интерпретация, принадлежащая де Бройлю. Современным названием для «волны вещества» является волновая функция (термин, с которым мы впервые столкнулись в главе 5), и далее мы будем пользоваться им.

Волновые функции не являются просто математическими формулами, не имеющими смысла: мы можем проследить, как современная интерпретация их физического смысла восходит к предположению, сделанному Борном. Борн заметил, что в классических (волновых) терминах интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды (меры отличия от нуля) электромагнитной волны, в то время как в квантовых (фотонных) терминах эта интенсивность пропорциональна вероятности обнаружения фотона в данной области пространства. Если амплитуда световой волны удваивается, его интенсивность учетверяется (луч становится в четыре раза ярче), и мы с учетверенной вероятностью обнаружим фотон в этой области пространства. Затем он предположил, что естественно распространить это соотношение на волновые функции и интерпретировать квадрат волновой функции частицы в некоторой точке, как дающий вероятность обнаружения в ней этой частицы. Так, если волновая функция в одном месте имеет вдвое большую амплитуду, чем в другом, то шансов обнаружить частицу в первом положении в четыре раза больше, чем в последнем. Мы можем заключить, что там, где квадрат волновой функции велик, имеется высокая вероятность обнаружения частицы, а там, где он мал, вероятность обнаружения частицы низка (рис. 7.4). Такая интерпретация, как можно видеть, означает, что области, где волновая функция является отрицательной величиной, — соответствующие впадине волны на воде — имеют тот же смысл, что и области, где она положительна, поскольку мы пользуемся квадратом волновой функции, и отрицательные области тоже становятся положительными.

Рис. 7.4. Интерпретация волновой функции, данная Борном. Сплошная линия является произвольной волновой функцией: заметьте, что она проходит через ноль в нескольких точках (они называются узловыми точками) и имеет области положительной и отрицательной амплитуды. Возведя волновую функцию в квадрат, мы получаем линию из точек, которая всюду неотрицательна, но равна нулю там, где равна нулю волновая функция. В соответствии с интерпретацией Борна эта кривая говорит нам о вероятности обнаружения частицы в каждой точке пространства. Мы изображаем эту интерпретацию с помощью плотности тени в наложенной горизонтальной полосе.

Волновая функция может оказаться концепцией, несколько более трудной для понимания, несмотря на интерпретацию Борна. В ряде следующих параграфов я попытаюсь дать вам представление о том, на что это похоже. Я также покажу вам, как можно решать уравнение Шредингера в уме, даже не видя его и не имея ни малейшего представления о том, что значит решать уравнение в частных производных второго порядка.

С более общей точки зрения уравнение Шредингера является уравнением для кривизны волновой функции: оно сообщает нам, где волновая функция изгибается более резко, а где более плавно. Ее кривизна является наибольшей там, где кинетическая энергия частицы велика, и наименьшей там, где кинетическая энергия частицы мала. Например, волновая функция для груза на конце маятника выглядела бы довольно похожей на функцию, показанную на рис. 7.5: груз быстрее всего движется в средней точке своего качания и медленнее всего на концах, в точках возврата, где он меняет направление движения, и мы теперь видим, что волновая функция искривляется более резко около средней точки области ее существования. Отметим также, что волновая функция имеет наибольшую амплитуду вблизи точек возврата: это соответствует знакомому поведению маятника, поскольку наиболее вероятно обнаружить его там, где он движется наиболее медленно, а это происходит в конечных точках его качания, где он меняет направление движения.

Рис. 7.7. Волновой пакет, образованный суперпозицией тридцати волновых функций, подобных изображенным на предыдущей иллюстрации, но с различными длинами волн. Хотя частица с большой вероятностью будет обнаружена в довольно четко определенной области пространства, мы ничего не можем сказать о том, какое из тридцати значений импульса будет преобладать. В дальнейшем обсуждении мы увидим, что этот волновой пакет движется подобно классической частице.

Мы можем представить волновую функцию с пиком, изображенную на иллюстрации, как результат сложения — технически выражаясь, суперпозиции — множества волн с различными длинами, каждая из которых соответствует определенному импульсу. В ситуации, изображенной на рисунке, эти волны, складываясь там, где их гребни совпадают, образуют пик реальной волновой функции и гасят друг друга там, где их гребни совпадают со впадинами. Такая суперпозиция волновых функций называется волновым пакетом. Когда мы хотим узнать величину импульса частицы с волновой функцией, подобной изображенной на рисунке, мы вынуждены сказать, что она может быть любой из величин, представленных длинами тех волн, которые использовались при формировании волнового пакета. То есть наша частично локализованная частица имеет неопределенность импульса, в точности как того требует принцип неопределенности.

Если мы точно знаем, где находилась частица в некоторый момент времени, ее волновая функция должна была тогда представлять собой очень заостренный шип, с нулевой амплитудой всюду, кроме места, где находилась частица. Такой шип тоже является волновым пакетом, но чтобы получить бесконечную заостренность его положения, мы должны составить суперпозицию бесконечного числа волн с различными длинами, а значит, и импульсами. Принцип неопределенности является квантовой версией потери ориентации: вы либо знаете, где вы, но не знаете, куда вы идете, либо знаете, куда вы идете, но не знаете, где вы.

Концепция волнового пакета помогает нам навести мосты между квантовой механикой и привычной комфортабельностью классической механики, поскольку он несет некоторые черты классических частиц. Чтобы увидеть эту связь, давайте представим себе шарик на проволоке, которая не горизонтальна, а наклонена вниз слева направо. В классическом случае мы ожидаем, что шарик будет скользить по проволоке, двигаясь быстрее и быстрее. А что говорит квантовая механика?

Сначала нам нужно построить волновую функцию шарика и, проделав это, мы сможем узнать, что говорит нам уравнение Шредингера о ее кривизне. Поскольку энергия шарика постоянна (энергия сохраняется, глава 3). а его потенциальная энергия убывает слева направо, его кинетическая энергия возрастает слева направо вдоль проволоки. Возрастание кинетической энергии соответствует возрастанию кривизны. Мы можем ожидать, что волна будет иметь длину, укорачивающуюся слева направо. Такая волновая функция для частицы с абсолютно точно определенной полной энергией будет похожа на изображенную на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Общая форма волновой функции для шарика-бусинки на проволоке, удерживаемой под углом к горизонтали, имеющего поэтому спадающую вправо потенциальную энергию. Заметьте, что длина волны становится все короче, по мере того как мы продвигаемся все дальше направо, что в классическом подходе соответствует возрастанию кинетической энергии частицы при скольжении вниз по проволоке.

Далее нам следует узнать кое-что о том, как волновая функция меняется во времени. Необходимо теперь иметь в виду нечто новое, а именно то, что волновая функция осциллирует с частотой, пропорциональной полной энергии частицы. Мы можем представить себе волновую функцию медленно движущейся (обладающей низкой энергией) частицы как медленно осциллирующую, а волновую функцию быстро движущейся (обладающей большой энергией) частицы как осциллирующую быстро (рис. 7.9). Волновая функция на рис. 7.9 ведет себя точно таким же образом и осциллирует со скоростью, определяемой ее энергией.

Рис. 7.9. Представление зависимости волновых функций от времени. Волновые функции осциллируют во времени со скоростью, зависящей от их энергии. Мы попытались показать, как осциллируют две волновые функции, изображенные на рис. 7.6: волновая функция с большой кинетической энергией (справа) осциллирует быстрее, чем волновая функция с малой кинетической энергией (слева).

Наконец, предположим, что мы не знаем точно энергию шарика (возможно, дрожат наши руки, держащие проволоку, или по шарику колошматят молекулы воздуха). В этом случае волновая функция не будет в точности похожа на изображенную нами, а будет суммой большого числа подобных волновых функций с несколько отличающимися формами. Результирующая суперпозиция будет волновым пакетом, похожим на изображенный на рис. 7.7. Как мы уже видели, каждая индивидуальная волновая функция осциллирует как во времени, так и в пространстве, поэтому форма, которую они образуют, складываясь вместе, меняется, ибо в один момент в одном месте гребни могут наложиться друг на друга, но затем гребень превращается во впадину, и волновой пакет принимает другую форму. Когда мы исследуем эту сумму, оказывается, что область конструктивной интерференции, создающей волновой пакет, перемещается слева направо. То есть шарик ускоряется слева направо, в точности как мы знаем из классической физики. Поэтому, когда вы наблюдаете повседневные объекты в их знакомых движениях — прыгающие мячи, летающие самолеты, гуляющих людей, — созерцайте умственным взором мысль о том, что вы наблюдаете волновые пакеты и что под их поверхностью пульсирует суперпозиция волн.

Квантовая механика делает ряд предсказаний, которые шокирующе отличаются от предсказаний классической механики, и пришло время рассмотреть эти различия. Давайте предположим, что горизонтальная проволока является короткой и что движение шарика ограничено всего несколькими сантиметрами посредством зажимов на каждом конце, как на счетах. Решающей чертой здесь является то, что допустимы только те волновые функции, которые согласуются с краевыми точками, так же как струна скрипки, зажатая в определенном месте, может совершать лишь колебания, допускаемые ее концами. Поскольку кривизна волновой функции определяется кинетической энергией шарика, а значит, его полной энергией (так как потенциальная энергия постоянна), мы заключаем, что в таком устройстве шарик может обладать только определенными энергиями. Другими словами, энергия шарика квантована, в том смысле, что она принимает дискретные значения, а не меняется непрерывно (рис. 7.10). Это общее заключение: квантование энергии, первоначально предполагаемое Планком и Эйнштейном, является следствием уравнения Шредингера и требования, чтобы волновая функция была должным образом согласована с пространством, по которому странствует частица. Вот так квантование энергии автоматически вытекает из уравнения Шредингера и так называемых «граничных условий» системы.

Рис. 7.10. Когда положение частицы ограничено определенной областью пространства, допустимы лишь те волновые функции (и соответствующие им энергии), которые «укладываются» в контейнер. Слева мы видим прямое изображение и изображение двух волновых функций: одна укладывается в контейнер и допустима, другая (состоящая из точек) не укладывается и не допустима. Справа мы видим результаты для энергии: серый столбик показывает классические разрешенные энергии, а горизонтальные линии показывают первые шесть квантовых, разрешенных энергетических уровней. Соответствующие волновые функции показаны правее.

Квантование интересным способом возникает в случае маятника, создавая один необычный аспект. Сначала рассмотрим волновую функцию для положения качающегося груза с точно определенной энергией (так, что он находится в определенном квантовом состоянии). Потенциальная энергия груза возрастает, когда груз отклоняется в какую-либо сторону, поэтому его кинетическая энергия падает, чтобы сохранить полную энергию постоянной, и с классической точки зрения мы можем ожидать, что волновая функция имеет наибольшую амплитуду в крайних точках качания, где груз задерживается дольше. Мы уже видели одну такую волновую функцию (рис. 7.5). Так же как для шарика между зажимами, допустимыми волновыми функциями будут те, которые согласуются с рядом величин, допускаемых качанием от одной поворотной точки до другой. Поскольку только некоторые из возможных волновых функций ведут себя подходящим образом, и каждая волновая функция соответствует определенной энергии, отсюда следует, что только некоторые энергии являются допустимыми. Оказывается, что эти допустимые энергии образуют однородную лестницу величин с разделительным интервалом между «ступеньками», который мы запишем как ħ × частота, где ħ — постоянная Планка, а частота (о которой мы скоро скажем больше) является параметром, обратно пропорциональным корню квадратному из длины маятника. Для маятника длиной 1 м на поверхности Земли вычисления дают частоту в 0,5 Гц, поэтому интервал между допустимыми энергетическими уровнями представляет собой очень маленькую и совершенно не регистрируемую величину в триста триллионно-триллионно-триллионных джоуля (3×10⁻³⁴ Дж), но он существует. Некоторые из этих энергий и соответствующие им волновые функции изображены на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Несколько первых энергетических уровней и соответствующих им волновых функций для маятника. Заметим, что уровни энергии разделены равными интервалами. Вы также можете заметить, что форма волновой функции с наименьшей энергией не похожа на формы, которые мы предполагаем у волновых функций с высокими энергиями (как, например, на рис. 7.5), поскольку маятник вероятнее всего обнаружить вблизи нулевого смещения от вертикали, а не у точек возврата. Мы можем пользоваться классическими идеями для конструирования наших представлений о волновых функциях лишь для высоких энергий.

Теперь, вот удивительная черта. Предположим, что мы оттягиваем груз и отпускаем его. Он будет раскачиваться в некотором диапазоне энергий, возможно, из-за толчков молекул воздуха или неровности подставки. Поэтому его реальная волновая функция будет волновым пакетом, сформированным суперпозицией большого числа функций, подобных изображенным на иллюстрации. Волновой пакет прокатывается из стороны в сторону, двигаясь быстрее, когда маятник вертикален, и медленнее на краях размаха качаний, так же как классический маятник. Более того, и это удивительно, частота качаний — число качаний груза из стороны в сторону за секунду — в точности равна параметру частоты, появляющемуся в выражении для интервалов между квантовыми энергетическими уровнями. Поэтому, когда вы наблюдаете качание маятника, вы не только видите движение волнового пакета, вы видите также, наблюдая частоту, прямое отображение в высшей степени близко расположенных энергетических уровней. Другими словами вы непосредственно наблюдаете квантование. Маятник является мощным усилителем для интервалов между его квантовыми энергетическими уровнями, и когда вы наблюдаете однометровый маятник, качающийся туда-сюда, вы непосредственно наблюдаете энергетический интервал в триста триллионно-триллионно-триллионных джоуля. Я думаю, что это удивительно.

Главным выводом из этого обсуждения является то, что квантование естественно вытекает из уравнения Шредингера и что классическое поведение возникает, когда точный квантовый уровень неизвестен, и мы должны формировать волновой пакет.

Я украдкой ввернул в обсуждение слово, являющееся центральным для проблемы интерпретации квантовой механики, слово вероятность. В оставшейся части этой главы мы исследуем скрытые смыслы и следствия этого ускользающего слова, поскольку оно имеет глубокую значимость для способа, посредством которого мы думаем о мире. На самом деле я хочу вернуться к некоторым аспектам текущего обсуждения и попытаться извлечь из них несколько философских вопросов. Я колебался, не следует ли написать «эпистемологических и онтологических вопросов», то есть вопросов, связанных с природой знания и фундаментальных основ реальности. Именно такими они и окажутся, но я не философ, и не хочу создавать впечатления, что мои замечания сколько-нибудь претендуют на статус философских. Поэтому я решил написать просто «вопросов» и оставить все как есть.

Хотелось бы сделать еще одно замечание. Предшествующий материал этой главы включает в себя все, что вам в действительности необходимо знать, если вы хотите пользоваться квантовой механикой. Конечно, я оставил в стороне технические и математические детали, но все, что сказано до сих пор, является достаточно содержательным и бесспорным. Те 30 процентов экономики США, которые основаны на квантовой механике, являются результатом использования этого материала, открывающего глаза на природу происходящего. Квантовая механика становится интересной с философской точки зрения, когда мы начинаем спрашивать, что все это означает? Это и станет темой оставшейся части главы. Если вы остановитесь здесь, вы будете знать главные положения квантовой механики и, в принципе, сможете использовать ее для произведения некоторых вычислений; если вы продолжите чтение, ваши возможности пользоваться ею не увеличатся, но вы узнаете, почему люди находят ее столь глубоко озадачивающей.

Сначала я обращусь к принципу неопределенности и попытаюсь оправдать подзаголовок этой главы: упрощение понимания. Многие люди — и среди них отцы-основатели квантовой механики — считают, что принцип неопределенности ограничивает наше понимание мира, ибо, поскольку мы не можем знать положение и импульс частицы одновременно, нам доступно лишь неполное знание ее состояния. Этот пессимистический взгляд, по моему мнению, является следствием нашей культурной обусловленности. Классическая физика и наш непроизвольный повседневный опыт воспитали в нас веру в то, что вещи мира полностью описываются в терминах положений и импульсов. То есть, чтобы описать путь летящего мяча — или просто предугадать, когда по нему следует ударить, — нам необходимо оценить его положение и импульс в каждый момент. Что нам демонстрируют квантовая механика и, в частности, принцип неопределенности, так это то, что это ожидание, ожидание описания в терминах обоих атрибутов, является чрезмерным. Мир просто не соответствует ему. Квантовая механика говорит нам, что мы должны выбрать. Мы должны выбрать между обсуждением мира в терминах положений частиц и обсуждением мира в терминах импульсов частиц. Другими словами, нам следует говорить только о положении мяча или только об его импульсе. Именно в этом смысле принцип неопределенности является главным упрощением нашего описания мира, поскольку он показывает, что наши классические ожидания ложны; мир просто не похож на картинку, рисуемую классической физикой и непроизвольным повседневным опытом.

Пойдем дальше. Из принципа неопределенности следует, что для описания мира существуют два языка: язык положений и язык импульсов. Если мы попытаемся использовать оба языка одновременно (как делает классическая физика, и до сих пор делают те, кто находится под влиянием ее принципов), мы можем ожидать, что создадим ужасную путаницу, как если бы мы попытались смешать английский и японский языки в одном предложении. Как сообщают, сам Гейзенберг считал это предпосылкой для того, чтобы полагать ошибочным утверждение «для предсказания будущего нам необходимо знать настоящее». Ошибался, однако, он сам. Корректная интерпретация принципа неопределенности состоит в том, что он выявляет стремление классической физики к получению недозволенной, дезориентирующей и чрезмерной полноты знания о настоящем: для полного знания о настоящем достаточно знать одни импульсы или, как альтернатива, одни положения.

Нильс Бор в 1927 г. возвел принцип неопределенности в ранг философской позиции, введя принцип дополнительности, название для которого он, по-видимому, почерпнул в книге Уильяма Джеймса «Принципы психологии», а позднее ввел в свой герб как девиз Contraria sunt complementa. Похоже, что, как бы много ни написал о нем Бор, этот принцип не вполне ясен, но в целом он утверждает, что существуют альтернативные пути восприятия мира, что мы должны выбирать одно или другое описание и не имеем права эти описания смешивать. Бор продолжал прилагать этот принцип к литературе и социологии во многом тем же способом, каким принцип относительности был присвоен и извращен авторами нелепых литературных упражнений, но мы сосредоточимся на более надежной и приспособленной для него квантовой теории.

Принцип Бора является центральной составляющей копенгагенской интерпретации квантовой механики, которая и выросла на его основе. Копенгагенская интерпретация представляет собой сеть позиций, выстроенную вокруг борновской вероятностной интерпретации волновой функции, принципа дополнительности, количественно выражаемого принципом неопределенности, и — что наиболее важно — «позитивистским» взглядом на природу, в котором единственными элементами реальности являются результаты измерений, полученных на приборе, подчиняющемся классическим принципам. Измерение является нашим единственным окном в природу, и все, что получено не через это окно, является просто метафизической спекуляцией и не заслуживает рассмотрения в качестве реальности. Таким образом, если ваш лабораторный прибор приспособлен для исследования волновых характеристик «частицы» (например, для демонстрации дифракции электронов), то обоснованным для вас будет использование волновых терминов. С другой стороны, если ваш лабораторный прибор приспособлен для исследования корпускулярных свойств «частицы» (например, для установления места попадания электрона на фотопластинку), для вас будет уместным использовать язык частиц. Ни один инструмент не может измерять как волновые, так и корпускулярные свойства одновременно, поэтому эти свойства дополнительны. По существу это был взгляд Гейзенберга, поскольку он считал, что квантовая механика есть просто способ согласования различных экспериментальных наблюдений и ничего не сообщает о лежащей за ними реальности: для него и для других истовых адептов Церкви копенгагенцев данные наблюдений есть единственная реальность.

Мы сосредоточимся на одном аспекте копенгагенской интерпретации, на акте измерения. Измерение является решающей составляющей при рассмотрении интерпретации квантовой механики не только из-за его позитивистского характера, и того, что оно породило больше статей, замешательства и огорчений, чем любой другой аспект этой теории. Оно является решающим для копенгагенской интерпретации потому, что эта интерпретация настаивает на роли инструментов измерения в наших попытках раздразнить реальность. Но какую бы интерпретацию ни давать квантовой механике, приходит момент, когда мы должны сопоставить ее предсказания с наблюдениями, поэтому понимание границы, разделяющей предсказание и наблюдение, имеет решающую важность и значимость.

Здесь мы подошли, возможно, к наиболее трудному, но центральному моменту интерпретации квантовой механики. Я попытался упростить предмет насколько возможно, не теряя существа обсуждения. Я весьма чувствителен к изяществу аргументации и сделал все, что было в моих силах, чтобы она была, насколько возможно, прозрачной. Если дела пойдут слишком туго, без колебаний прыгайте к следующей главе, ведь все, что следует дальше, не зависит от обсуждаемого здесь.

В самом широком смысле акт измерения дает изображение квантово-механического свойства на выходе макроскопического прибора. Этот выход обычно называют «показанием стрелки», но термин можно использовать и для обозначения выходных данных любой крупномасштабной системы, таких как число, появившееся не экране монитора, значок, напечатанный на бумаге, щелчок, услышанный ухом или даже обнаружение в ящике мертвой кошки. Копенгагенская интерпретация настаивает на том, что измерительный инструмент действует классически, поскольку он должен отображать квантовый мир в терминах величин, доступных восприятию таких великанов, как мы. Хотя копенгагенская интерпретация доминировала много лет, не в последнюю очередь за счет влияния Бора, она ни в коей мере не является повсеместно принятой. Ахиллесовой пятой ее мясистой подошвы является именно эта попытка настоять на особом статусе измерительного прибора. Альтернативным является утверждение, что измерительные приборы также действуют на основе квантовых принципов; мы исследуем этот вариант позднее.

Предположим, у нас есть детектор, который включает красный свет, если электрона нет, и зеленый, если электрон присутствует. Электрон описывается волновой функцией, которая распределена в пространстве и, как мы видели, будучи возведена в квадрат, сообщает нам в каждой точке пространства вероятность того, что электрон будет там обнаружен. Если мы поместим наш детектор в область, где мы ожидали найти электрон, мы с большей вероятностью получим зеленый свет там, где волновая функция больше, чем там, где она меньше, и квадрат волновой функции будет сообщать нам вероятность (например, один раз из десяти) того, что мы получим зеленый свет.

Если, когда мы вставляем детектор, загорается зеленый свет, то мы с определенностью знаем, что частица находится в этом положении. Непосредственно перед регистрацией этого события мы знаем только вероятность того, что электрон находится там. Поэтому, в самом реальном смысле, волновая функция сжалась от формы, размазанной по пространству, до острого пика, расположенного в месте нахождения детектора. Изменение волновой функции в результате измерения с помощью классического прибора называется коллапсом волновой функции. Когда бы мы в качестве наблюдателей ни осуществили наблюдение, волновая функция коллапсирует к определенному положению, соответствующему показанию стрелки (в данном случае, переключателя, контролирующего свет), которое мы наблюдаем. Это вмешательство в систему, по-видимому, вызывающее коллапс волновой функции в отдельную точку, является центральной концепцией и в то же время трудностью копенгагенской интерпретации, а также центральной проблемой, касающейся связей между вычислением и наблюдением. Оно также является источником той точки зрения, что квантовая механика устраняет детерминизм, причинную связь между настоящим и будущим, поскольку в квантовой механике, как утверждается, нет никакого способа предсказать до проведения измерения, коллапсирует или нет волновая функция в некоторую частную точку, а возможно лишь вычисление вероятности того, что это произойдет.

Здесь я должен ввести три технических детали квантовой механики, так как они являются центральными в проблеме измерений и в ее решении. Я сделаю это с помощью изрядно заезженной проблемы кошки Шредингера. В этой квантовой метафоре Шредингер вообразил кошку, заключенную в непрозрачный ящик вместе с прибором, способным испускать яд, запускаемым радиоактивным распадом. Радиоактивный распад случаен, и на данном интервале времени распад произойдет или не произойдет с равной вероятностью. Согласно квантовой механике это соответствует тому, что состояние кошки представляет собой смесь в равных долях ее живого состояния и мертвого состояния (рис. 7.12), и мы можем записать:[33]

Состояние кошки = живое состояние + мертвое состояние.

Эта сумма является аналогом суперпозиции волновых функций, которую мы использовали при построении волнового пакета, с единственной разницей, что вместо складываемых состояний импульса здесь фигурируют состояния кошки. Построение настоящих волновых функций было бы гораздо более сложным, но нам этого делать не придется.

Рис. 7.12. Кошка Шредингера. Живая кошка заперта в непрозрачном ящике вместе с гнусным прибором, который убивает или не убивает ее. До того как мы открыли ящик, была ли кошка суперпозицией живой и мертвой кошек? Когда волновая функция коллапсирует в то или иное состояние?

Описание состояний как суперпозиций является корнем всех бед в квантовой механике, ибо, в частности, кажется, что нет способа предсказать, получим ли мы при следующем наблюдении кошки результат «она жива!» или «она мертва!». Как только мы открываем ящик, мы немедленно узнаем, жива кошка или мертва, поскольку, в некотором смысле, волновая функция кошки коллапсирует к одной или другой из волновых функций, соответствующих этим состояниям. Но в какой момент коллапсирует волновая функция кошки? Перед тем как мы открыли ящик? В момент открытия ящика? На долю секунды позже, когда наш ум регистрирует, жива кошка или мертва? Когда кошка подумает, что она умерла? Квантовая механика лишь задает правила, по которым могут быть предсказаны вероятности обнаружения этих состояний. Кажется, что из физики вытек весь детерминизм, кажется, что квантовая механика капитулировала и отдала себя в руки Бога. Этим был глубоко обеспокоен Эйнштейн, что заставило его назойливо часто возражать «Бог не играет в кости». Бор отметал этот критицизм, замечая, что причинность является, так или иначе, классическим понятием и дополнительна (в несколько смутном и неясно определенном смысле) к пространственному описанию положений частицы. То есть, согласно Бору, либо вы выбираете классическую физику и наслаждаетесь опьяняющим превосходством причинности, либо выбираете квантовую механику, но ценой, которую вы платите за это, будет причинность.

Мы можем ввести второе важное замечание, представив себе более агрессивный вариант метафоры Шредингера, в котором кошка бывает не отравлена, а застрелена. Когда в кошку производится выстрел в звуконепроницаемом ящике, состоянием прибора сначала является кошка × пуля в стволе. Ружье заставляет стрелять тот же случайный прибор, что и прежде, поэтому пуля с равными вероятностями находится в полете или еще в стволе. На этой стадии состояние системы имеет вид:

Состояние системы = кошка × пуля в стволе + кошка × пуля в полете.

Сразу после этого, когда пуля попадает в кошку (а это неизбежно, если пуля вылетела), создавая мертвую кошку, или остается в стволе, сохраняя кошку в живых, система принимает вид:

Состояние системы = живая кошка × пуля в стволе + мертвая кошка × пуля в кошке.

Это пример смешанного состояния, в котором состояния кошки и пули спутаны и переплетены. Если это истинное состояние системы, то мы можем ожидать, что существуют некие причудливые эффекты интерференции между двумя состояниями системы. Что же на свете может быть интерпретацией такого описания? Что может означать результат интерференции между волновыми функциями мертвой и живой версий кошки и различных положений пули?

Давайте сначала рассмотрим вопрос о квантово-механической интерференции между различными состояниями. При этом мы введем третью важную идею, декогеренцию. Это, возможно, наиболее тонкая часть всей аргументации, и я сделаю все, что в моих силах, чтобы держать это понятие в поле зрения. Кошка не является отдельной изолированной частицей. Она состоит из триллионов атомов, и ее полная волновая функция является очень сложным комплексом функций, описывающих положения всех этих атомов. Два состояния, вносящие вклад в систему (живая кошка × пуля в стволе и мертвая кошка × пуля в кошке), эволюционируют во времени, в соответствии с уравнением Шредингера, весьма по-разному и крайне быстро. В течение мельчайшей доли секунды волновая функция мертвой кошки становится совершенно отличной от волновой функции живой кошки, и интерференция между волновыми функциями живой и мертвой кошек полностью исчезает. В результате система не показывает никаких эффектов квантово-механической интерференции, и у нас есть либо мертвая кошка, либо живая кошка, а не потешная суперпозиция двух состояний.

Но какое же из состояний мы обнаружим? Умалчивает ли квантовая механика о предсказании результата нашего эксперимента? Потеря причинности и детерминизма, лесов и фундамента науки и понимания, кажется многим слишком дорогой ценой, особенно когда аргументы являются скорее чьим-то мнением и философскими предпочтениями, чем аргументами математическими или обусловленными экспериментом. Одно из возможных решений вырастает из предположения Эйнштейна, что квантовая механика неполна, в том смысле, что существуют скрытые параметры или характеристики частиц (включая кошек), которые от нас скрыты, но тем не менее влияют на их поведение. Так, скрытые параметры могут предписать частице вдруг возникнуть в некотором месте, в то время как квантовая теория может предсказать только вероятность ее появления там и не способна уловить скрытые параметры, контролирующие действительный результат. Тогда можно было бы предполагать, что оперирование этими скрытыми параметрами и получение точных предсказаний результатов наблюдения, а не просто их вероятности, является задачей еще не открытой более глубокой теории, лежащей за квантовой механикой.

Подтверждение или опровержение существования непознаваемых пока скрытых параметров может казаться делом недоказательных метафизических дебатов в большей степени, чем научного решения. Однако Джон Белл (1928-90) в выдающейся, простой и основополагающей статье, опубликованной в 1964 г., продемонстрировал, что существует экспериментальное различие между квантовой механикой и ее модификациями, содержащими скрытые параметры, и поэтому вопрос может быть решен раз и навсегда. Более точно, Белл показал, что предсказания квантовой механики отличаются от предсказаний теорий с локальными скрытыми параметрами. Локальные скрытые параметры вполне соответствуют своему названию: локальные параметры можно отождествить с текущей локализацией частицы, что кажется разумным требованием для того, чтобы они обладали свойством локальности. Теорема Белла не касается нелокальных скрытых параметров, когда поведение частицы здесь зависит от характеристик, помещенных где-то в другом месте; это может показаться странной возможностью, но квантовая механика учит нас, что нельзя, сидя в кресле, с легкостью отметать странности. Теорема Белла является теоретическим, хотя и сильным результатом, но она была проверена в серии экспериментов возрастающей изощренности. В каждом случае результат соответствовал квантовой механике и не соответствовал любого рода теории с локальными скрытыми параметрами.

Итак, если квантовая механика действительно полна, по крайней мере в терминах локальных свойств, должны ли мы действительно отказаться от причинности? Был предложен ряд альтернатив. Одним из наиболее радикальных — и поэтому чрезвычайно притягательных если не для ученых, то для журналистов — предложений была неудачно названная интерпретация «множественных миров», которую в несколько темной форме предложил непрерывно куривший, разъезжавший с гудками на «кадиллаке» мультимиллионер и аналитик ядерных исследований Хью Эверетт (1930-82) в 1957 г. в своей докторской диссертации. Центральной, как бы наивной и с виду безвредной идеей в предложении Эверетта, была идея, которую презрел Бор: идея о том, что уравнение Шредингера универсально справедливо и контролирует эволюцию волновой функции, даже когда частица взаимодействует с измерительным прибором. Множество возвышенных замков было построено на фундаменте этой идеи и сделанных Эвереттом замечаний по поводу ее очевидных следствий.

В замке, захватившем воображение публики, все вероятности, выражаемые волновой функцией, действительно реализуются (так, что кошка действительно и жива и мертва), но когда производится измерение и состояние обнаруживается, эта реализация расщепляет Вселенную, и из бесконечного числа параллельных Вселенных (одни с мертвой кошкой, другие с живой) выбирается только одна. По существу, взаимодействие измерительного прибора с мозгом наблюдателя выбирает ответвление, по которому Вселенная будет двигаться. Вселенную расщепляет каждое наблюдение, так что огромное и растущее множество параллельных миров в разных мозгах следует различными путями. Трудно представить себе более расточительную интерпретацию, но поскольку неприязнь не является инструментом научного отбора, некоторые принимают эту интерпретацию всерьез. В отличие от теоремы Белла, по-видимому, не существует способа проверить, действительно ли ум вовлекается в акт наблюдения, если не считать одного, однажды предложенного эксперимента. Поскольку этот эксперимент требует, чтобы наблюдатель покончил с собой, до его осуществления дело пока не дошло.

Мы (за исключением закоренелых копенгагенцев) должны отличать безупречную, по-видимому, идею Эверетта о том, что уравнение Шредингера приложимо к макроскопическим объектам, от интерпретаций, построенных на этой точке зрения, так что вы должны быть очень осторожны, определяя, какой аспект интерпретации «множественных миров» вы имеете в виду, когда просите кого-нибудь сообщить, является ли он многомирцем. Я думаю, честно будет признать, что большинство физиков сегодня принимает «постную» версию интерпретации «множественных миров», гласящую лишь об универсальности уравнения Шредингера, но некоторые присоединяются и к более субъективным оттенкам, которые добавились к этой интерпретации. «Универсально шредингеровский взгляд» противоречит копенгагенской интерпретации, которая утверждает неприятную мысль, что квантовая механика в чем-то неверна, когда ее прилагают к макроскопическим ансамблям атомов, которые мы называем измерительными инструментами. Эта позиция, по-видимому, является чрезмерно капитулянтской, и трудно понять, как квантовая механика может постепенно слепнуть или даже резко переключаться на другую теорию, когда число атомов, входящих в систему, возрастает. Определенно верно, что макроскопические объекты в очень хорошем приближении ведут себя в соответствии с классической физикой: но мы знаем, что это поведение является просто проявлением квантовой механики в приложении к большому числу атомов.

Давайте задержимся на «универсально шредингеровском взгляде» и посмотрим на его проблемы и следствия. Мы остаемся с возможностью того, что простейший сценарий адекватен: квантовая механика полна, локальные скрытые параметры отсутствуют, и она с исчерпывающей полнотой описывает тела, состоящие из любого числа частиц. Коллапс волновой функции, таинственная компонента копенгагенской интерпретации, тоже оказывается за бортом, так как универсальное уравнение Шредингера должно будет каким-то образом учитывать все изменения, которым подвергается волновая функция, включая видимый коллапс, происходящий при измерении. Как тогда, при этих условиях, сможем мы сохранить причинность и детерминизм в рамках квантовой механики и, в частности, в процессе измерения?

Успех декогеренции в устранении квантово-механической интерференции между живой и мертвой версиями кошки заставляет предположить, что и здесь декогеренция является тем рыцарем в белых доспехах, который нам необходим. Живая или мертвая кошка есть сложное показание стрелки. Раз это так, давайте упростим проблему, вообразив примитивный измерительный прибор, состоящий из мячика, покоящегося на вершине бугра между двумя ямами. Легчайший толчок отправит мячик в одну из двух ям, и наблюдая, в которой из ям мячик приземлился, мы можем определить, получил ли мячик легкий толчок налево или направо (рис. 7.13). Этот прибор является усилителем толчков, и это сущностная характеристика всех измерительных приборов: они все являются усилителями толчков. Если нам хочется, мы можем приклеить в левой яме этикетку «мертвая кошка», а в правой «живая кошка». Кошка является тогда усилителем положения пули: я оставляю для вас задачу перевода с языка шредингеровской кошки-индикатора на язык стилизованного упрощения «мячик на бугре».

Рис. 7.13. «Бугор-усилитель», который кратко иллюстрирует проблему измерений в квантовой теории. Мячик на вершине между двумя ямами находится в состоянии «готовности». Если бугор посылает его направо, то в отсутствие трения он будет кататься взад и вперед между двумя ямами, и мы будем обнаруживать его в левой яме так же часто, как в правой. Однако, если присутствует трение (символизирующее декогеренцию и указанное столбиками справа), мячик остановится в правой яме, и мы получаем жизнеспособный измерительный прибор.

Как мы упоминали ранее, это прибор бесполезен, поскольку мячик, который свалился в левую яму, подскочит по противоположной стенке, снова упадет и перепрыгнет бугор. Мячик остановится в яме, в которую упал сначала, только если существует трение, рассеивающее его энергию. Именно трение ловит мячик в его яме и дает нам возможность проверить на досуге показание нашего прибора. Теперь у нас есть жизнеспособный измерительный прибор, и жизнеспособным его делает трение, то есть взаимодействие системы с ее окружением.

Трение является аналогом декогеренции. (Это утверждение требует акта веры с вашей стороны: я снова пытаюсь скорее интерпретировать математические формулы, чем оправдывать каждый шаг.) Мы можем думать о катящемся шаре как о чистой частице Шредингера, подчиняющейся контролю его уравнения. Начальным состоянием измерительного прибора является равновесие шара на вершине бугра; мы назовем это состояние готовностью прибора. Предположим, что частица, состояние которой определяет детектор, находится в состоянии, являющемся суперпозицией движения влево, которое мы будем называть частица, движущаяся влево, и движения вправо, которое мы обозначим частица, движущаяся вправо, тогда до определения состояния системы:

Начальное состояние = готовность прибора × (частица, движущаяся влево + частица, движущаяся вправо).

Когда частица ударяет по детектору, мячик переходит в суперпозицию положений в левой и правой яме, что дает:

Конечное состояние = мячик слева + мячик справа.

Однако, поскольку мячик связан с окружением посредством трения, происходит очень быстрая декогеренция этих двух состояний, и мы никогда не наблюдаем никакой интерференции между ними: фактически мячик находится либо на правой стороне, либо на левой — суперпозиция распалась на два, в сущности классических, состояния.

Существует еще вопрос о том, где находится мячик на самом деле, в правой или в левой яме? Нам нужно вспомнить, что в состоянии готовности он деликатно уравновешен на вершине бугра так, что может скатиться в любую сторону. Это просто другой способ сказать, что детектор очень чувствительный и не имеет предпочтений. Теперь надо вспомнить, что и сам мячик не полностью изолирован от своего окружения, а подвергается вибрации, ударам молекул воздуха, легкому прикосновению случайно залетевшего фотона, и так далее. Когда частица, состояние которой определяется, ударяет по мячику и побуждает его скатиться в ту или иную сторону, сочетание воздействий, запускающих движение в обе стороны с равной вероятностью, и локальное возмущение, которое может действовать в любом направлении, запускают движение в определенную сторону. В результате суперпозиция развивается в сторону скатывания мячика лишь в одну из ямок, где его немедленно ловит декогеренция.

Поэтому сущностным свойством измерительного прибора является не требование, чтобы он был классическим, и для него были недействительны предписания уравнения Шредингера (как утверждает копенгагенская интерпретация), а то, что он является макроскопическим квантово-механическим прибором, погруженным в свое окружение.

Я коснулся лишь поверхностных аспектов квантовой механики. Существует несколько выводов из этого рассмотрения, которые следует намотать на ус, и здесь я попытаюсь дать их обзор.

Во-первых, мы больше не должны думать о волнах и частицах как о различных сущностях. Если мы думаем в терминах частиц, нам приходится думать в терминах их положений. Если мы думаем в терминах волн, нам приходится думать в терминах их длин и, следовательно, из соотношения де Бройля, в терминах импульсов. Принцип неопределенности выражает эту сущностную дополнительность, предупреждая нас, что определение корпускулярных свойств (положения) препятствует определению волновых свойств (импульсов). Простое, детерминистическое описание мира может быть получено, только если мы отказываемся от одной или другой из этих модальностей мышления.

Свойства частиц (как мы согласились называть эти сущности, имеющие характер хамелеона) вычисляются путем решения уравнения Шредингера. Решения этого уравнения содержат всю динамическую информацию о частице, такую как вероятность ее обнаружения где-либо или вероятность какой-либо скорости ее движения. Эти решения объясняют также все наблюдения, которые требуют в первую очередь квантово-механических формулировок, такие как дифракция частиц и существование квантовых энергетических уровней, которые ввели Планк, в связи с излучением черного тела, и Эйнштейн, в связи с атомами в твердых телах. Реализация уравнения Шредингера — нахождение его решений и, таким образом, предсказание свойств объектов — может быть достигнута почти автоматически, и нету никаких сомнений в том, что квантовая механика является глубоко надежной теорией.

Место, где квантовая механика становится странной, находится на границе между микроскопическим и макроскопическим, поскольку результаты измерений, видимо, предполагают, что квантовая механика является полностью вероятностной и устраняет детерминизм. Это не вполне так. Волновые функции эволюционируют вполне детерминистически, следуя уравнению Шредингера. Детерминизм отсутствует в предсказании результатов измерений. Одно из решений этой проблемы, неполнота квантовой механики в смысле существования скрытых параметров, которые управляют реальным результатом наблюдения, но лежат невидимые под поверхностью теории, не является приемлемым, поскольку такая теория несовместима с результатами проводившихся экспериментов. Копенгагенская интерпретация утверждает, что уравнение Шредингера должно здесь сменяться таинственным процессом, называемым коллапсом волновой функции. Однако весьма неправдоподобно, что квантовая механика имеет область компетенции, которая перестает действовать, когда система становится более сложной. Современная точка зрения состоит в том, что уравнение Шредингера справедливо всегда и что слабые воздействия, поступающие из запутанного окружения, достаточны для объяснения всех наблюдений. Кое-кто, однако, категорически не согласится с этой точки зрения. Замечание Ричарда Фейнмана, процитированное под заголовком этой главы, все еще остается очень верным.

Примечания:

2

«Бигль» имел 27 метров в длину и 7 метров в ширину в средней части судна, что примерно эквивалентно 15×4 «дарвинов».

3

Я говорю «практически неповрежденным», потому что даже если во время мейоза, происходящего в середине гена, возникнет случайная поломка ДНК, шаг рекомбинации восстановит этот ген в новом геноме.

29

Если вы отвечаете: да, то вы привираете. Скачки амплитуды маятника длиной 1 метр, со стограммовым шариком, качающимся с амплитудой 5 см, как у старых часов в высоком ящике, составляют только около 10⁻³⁰ см, что на пятнадцать порядков меньше, чем диаметр атомного ядра.

30

Две предшествующих «Катоптрики», написанные соответственно Евклидом и Архимедом, не сохранились. — Прим. пер.

31

Мы несколько упрощаем выражения: точная величина в правой части равна не самой ħ, a iħ/2π, где i есть корень квадратный из −1.

32

Вот как выглядит уравнение Шредингера (без множителей π) для частицы с массой m, движущейся в области пространства, в котором ее потенциальная энергия равна V:

ħ²Ψ''/m = (V − E)Ψ,

где E — полная энергия частицы, Ψ — волновая функция, которую мы хотим найти, а Ψ'' — ее искривление (производная 2-го порядка).

33

Выражать состояния таким способом может показаться наивно, но в квантовой механике сформулирован ряд правил, сообщающих, как обращаться с выражениями такого типа и как получать точные количественные заключения. Не позволяйте кажущейся банальности этих символических выражений одурачить вас.