Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком

#физикишутят

Эрвин Шрёдингер создал своё знаменитое уравнение в 1925 году. Шрёдингера считают Казановой в среде физиков: он очень любил женщин и постоянно заводил новые романы. Однажды он поехал на рождественские каникулы с очередной дамой сердца в уединённый отель в Австрии, и именно там ему пришла идея уравнения, которое наряду с E

= mc² называют самым важным уравнением физики.

Это – дифференциальное уравнение, аналог уравнения Ньютона в квантовой механике. Только уравнение Шрёдингера описывает поведение объектов микромира. Решение этого уравнения – это математическая величина, называемая волновой функцией и обозначаемая греческой буквой пси (Ψ). Пси – это математическое облако вероятности: оно показывает нам вероятность того, что электрон окажется в том месте, где мы будем его искать.

На языке науки: квадрат модуля волновой функции описывает вероятность того, что электрон находится там, где мы его будем искать.

Уравнение Шрёдингера произвело эффект разорвавшейся бомбы. Ведь оно означает, что предсказать будущее невозможно. И не только на уровне микромира. Потому что крупные объекты, включая нас с вами, тоже состоят из частиц. И любая из частиц может поменять направление движения без всякой видимой причины. С ещё меньшей вероятностью, но даже все они могут поменять направление, и вы можете оказаться, например, сидящим в амазонских джунглях.

Чем более успешной становится квантовая теория, тем глупее она выглядит.

Альберт Эйнштейн, один из основателей современной теоретической физики

Многие столетия в физике господствовал детерминизм – теория, согласно которой все будущие события возможно предсказать. Если бы были известны координаты и скорости всех частиц во Вселенной, то можно было бы со 100 %-ной точностью утверждать, что́ случится в каждое следующее мгновение. Здесь квантовая теория полностью опровергла физику Ньютона, согласно которой мир предсказуем и упорядочен. Мнение, что у каждого следствия есть чётко определённая причина, оказалось неверным.

Постепенно взгляды физиков – основателей квантовой теории разделились. С одной стороны были Гейзенберг и Бор, которые считали отсутствие детерминизма основой мироздания и много писали о связи квантовой физики с философией, психологией. Время доказало правоту именно этой точки зрения, именно за это была получена Нобелевская премия по физике в 2022 году.

А с другой стороны были Эйнштейн со Шрёдингером, которые не находили это разумным и говорили, что мир детерминирован и происходящее с объектами микромира между моментами наблюдения нам просто знать не дано. Шрёдингер для обоснования своей точки зрения придумал мысленный эксперимент с котом (кот Шрёдингера), который мы подробно разберём в следующей части книги.

Глава 2

Принцип неопределённости Гейзенберга

Давайте немного отвлечёмся и поговорим о Гейзенберге и о развитии квантовой теории.

Квантовая физика, как вы уже поняли, очень активно развивалась в 1920–1930‑е годы. В становлении науки участвовали в основном четыре страны: Англия, Германия, США и Советский Союз. В СССР квантовую теорию вначале не приняли: её рассматривали как буржуазную философию, не соответствующую марксизму-ленинизму. Однако в 1930‑е годы квантовая физика стала поддерживаться правительством. В СССР даже проводились международные конференции, а советские учёные часто ездили на стажировку в Германию и Англию.

Но с началом войны всё это сотрудничество прекратилось, а к концу для квантовой физики в Советском Союзе опять началось непростое время.

Был даже такой лозунг: «Разоблачение реакционного эйнштейнианства в области физической науки – одна из наиболее актуальных задач советских физиков и философов!»[6] Квантовую физику вполне могла постигнуть та же участь, что и генетику и молекулярную биологию. В январе 1949 года было назначено всесоюзное совещание. На нём собирались полностью разгромить квантовую физику и даже убрать её из учебников. Однако президенту АН СССР С. И. Вавилову и руководителю советского атомного проекта И. В. Курчатову в конце концов удалось похоронить эту затею.

В августе 1949 года состоялось успешное испытание первой советской ядерной бомбы; создание атомного оружия представлялось для советского руководства важнейшей задачей. Квантовая физика, лежащая в основе теории радиоактивного распада (и, соответственно, ядерных бомб), опять вошла в почёт, и с тех пор советские учёные, занимавшиеся ею, всячески поддерживались государством.