Главная Новости Физики: объекты существуют только тогда, когда мы с ними контактируем

Квантовая физика и объект: а существует ли мальчик?

Возможно, самое странное в квантовом мире то, что понятие объекта распадается на части. За пределами мира молекул, атомов и элементарных частиц мы имеем очень четкое представление об объекте как о вещи, которую мы можем созерцать.

Данное утверждение справедливо к двери, автомобилю, планете и песчинке. Если перейти к более мелким "вещам", то эта концепция по-прежнему применима к клетке, вирусу и такой крупной биомолекуле, как ДНК.

Но именно здесь, на уровне молекул и расстояний меньше миллиардной доли метра или около того, начинаются проблемы.

Если мы продолжим двигаться ко все меньшим и меньшим расстояниям, спрашивая себя, что представляют собой окружающие нас объекты, в дело вступит квантовая физика. "Вещи" становятся нечеткими, их формы неясными, а границы неопределенными.

Объекты испаряются в облака; они неуловимы в своих очертаниях, как и слова для их описания.

Мы все еще можем думать о кристаллах как об атомах, расположенных в определенном схематическом порядке — наподобие всем знакомой кухонной соли, которая состоит из кубической решетки атомов натрия и хлора.

Но стоит погрузиться в сами атомы, простые картинки превращаются в пух и прах.

Разочарование Шредингера

Немецкий физик Вернер Гейзенберг объяснил эту неясность врожденным свойством материи, которое он описал с помощью принципа неопределенности.

Эрвин Шрёдингер: Я иду против течения, но направление потока изменится

Он гласит, что мы не можем определить положение объекта с произвольной точностью. Чем больше мы пытаемся выяснить, где он находится, тем более неуловимым он становится, поскольку неопределенность его движения-траектории-скорости возрастает.

Такой эффект незначителен для крупных объектов, - человека, песчинки или даже крупной биомолекулы. Но он становится решающим, когда мы рассматриваем более мелкие «предметы» - атомы или электроны.

Мы можем с уверенностью сказать: "Да, моя ручка находится здесь, в этом месте, на моем столе".

В действительности даже это утверждение является приблизительным, поскольку все колеблется. Но это колебание настолько ничтожно, что мы пренебрегаем им. Но оно детерминирует поведение электрона, протона или фотона.

 

Такая неясность стала страшным ударом для многих архитекторов квантовой физики, включая Эрвина Шредингера, Альберта Эйнштейна, Макса Планка и Луи де Бройля.

Блестящие физики были апологетами «старых» квантовых взглядов. Они изо всех сил пытались вернуть классические представления о детерминизме в разрушенную картину мира.

Однако электроны перескакивают с одной орбиты на другую. Они = не маленькие шарики, движущиеся вокруг атомного ядра, как Луна вокруг Земли. Это облака вероятности. Новая квантовая механика предсказывает вещи, но не определяет их.

Разочарование Шредингера вылилось в ссору, когда он посетил Нильса Бора в Копенгагене.

Шредингер тогда заявил: если мы будем вынуждены мириться с этими чертовыми квантовыми переходами, то я сожалею, что вообще имел отношение к квантовой теории.

Бор: ваша волновая механика в ее математической ясности и простоте является гигантским прогрессом по сравнению с предыдущими формами квантовой механики.

 

Разочарование Шредингера привело к нервному срыву. И хотя жена Нильса проявила некоторое сострадание к Эрвину, пока он восстанавливался, профессор Бор остался непоколебим. Он продолжал бомбардировать ослабевшего немцвами аргументами в пользу реальности квантовых переходов.

Датчанин и его ученики победили. Уютное, конкретное понятие объекта исчезло. Укрепилась нечеткость квантового объекта, хотя оно явно опиралось на ряд парадоксальных высказываний.

Квантовый объект теперь считается объектом только в том случае, когда наблюдатели «просят» его быть таковым. Радикальные мыслители, как например Паскуаль Джордан, вообще утверждали, что квантовые вещи существуют только тогда, когда мы взаимодействуем с ними.

Значение уравнения Шредингера

Циник может отбросить все и не терять время. "Какая разница? Важно то, что мы наблюдаем в лаборатории, а не то, что что-то "есть", - говорят они. - "Физика - это данные, а не метафизические домыслы".

Наш циник прав. Если вам важны только данные, то не имеет значения, что происходит с электроном до того, как его обнаружит прибор.

 

Квантовая математика работает невероятно хорошо как машина прогнозов, основываясь на числовых данных. Она не даст вам уверенности, но она предоставит надежные вероятностные предсказания.

Причина загадки заключается в том, что центральное уравнение квантовой механики, уравнение Шредингера, отличается от обычных уравнений классической физики.

Когда вы захотите вычислить путь, который пройдет камень при броске, вы используйте уравнение Ньютона. Оно описывает, как меняется его положение во времени - от начальной до конечной точки покоя. Можно было бы ожидать, что уравнение движения электрона также описывает изменение его положения во времени. Но это далеко не так.

На самом деле, в уравнении Шредингера вообще нет электрона. Вместо него есть волновая функция электрона. Это квантовый объект, который заключает в себе неясность. Она даже не имеет значения.

Вот что имеет смысл, так это ее квадратичное значение - абсолютное значение, поскольку является сложной функцией. Такое значение определяет вероятность того, что электрон может оказаться в том или ином положении в пространстве, когда будет обнаружен.

Волновая функция представляет собой суперпозицию возможностей. В ней присутствуют все вероятностные пути, ведущие к различным результатам. Но как только производится измерение, преобладает только одно положение.

Квантовая суперпозиция

В этом и заключается суть квантовой суперпозиции: она содержит все возможные исходы, каждый из которых с определенной вероятностью реализуется при измерении. Именно поэтому физики говорят, что электрон находится "нигде" до того, как его измерят. Не существует уравнения, которое могло бы указать точное местоположение.

До измерения он находится везде, где только может быть, учитывая ограничения ситуации - такие факторы, как силы, взаимодействующие с ним, и количество измерений, в которых он движется. Квантовая механика рассказывает историю, которая имеет только начало и конец. Все, что находится в середине сюжета, размыто.

 

Вопрос в том, что с этим делать. Мы можем занять позицию циника и принять прагматический подход, согласно которому все, что нас волнует, - это результат измерений.

Многих физиков это устраивает. Но если вы верите, что наука должна глубже проникать в природу реальности, вы захотите узнать больше.

Вы захотите убедиться, что за квантовомеханическими вероятностями не скрывается никакой тайны. Вы захотите проникнуть глубже, надеясь найти скрытый источник квантовой нечеткости, причину очевидной потери детерминизма.

Именно этого хотели Эйнштейн, Шредингер, де Бройль и позднее Дэвид Бом. Ставки были высоки - выяснить истинную сущность реальности.

Но Бор, Гейзенберг, Джордан, Паули и другие навязали физике странную природу квантов. Началась борьба между двумя мировоззрениями. Она продолжается и сегодня.