В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

И снова здесь могут помочь шахматы. Есть несколько способов описать шахматную партию на бумаге. Первый - напечатать наглядную «шахматную доску» с обозначенными позициями всех фигур, но для записи всей партии понадобится очень много места. Второй - называть передвигаемые фигуры: «Королевская пешка на четверку королевской пешки». А в самой краткой алгебраической записи тот же самый ход фиксируется как «d2 - d4». Три разных описания снабжают нас одинаковой информацией о случившемся в реальном мире событии - переходе пешки из одного «состояния» в другое (и, как и в квантовом мире, мы ничего не знаем о том, как именно пешка переходит из одного состояния в другое, - это еще более очевидно в случае с движением коня). Разные формулировки квантовой механики подобны этому. Квантовая алгебра Дирака стала самой изящной и «красивой» с математической точки зрения, в то время как матричные методы, развитые Борном и его

коллегами вслед за Гейзенбергом, более громоздки, но от этого не менее эффективны32.

Некоторые из наиболее поразительных ранних результатов Дирака появились тогда, когда он попытался включить в свою квантовую механику специальную теорию относительности. Вполне довольный идеей о том, что свет распространяется в виде частиц (фотонов), Дирак с радостью обнаружил, что, включая в свои уравнения, помимо прочего, время в качестве числа q, он неизбежно приходил к «предсказанию», что атом должен отскакивать в сторону, испуская свет, как будто бы свет распространялся в форме частиц, имеющих собственный импульс. Таким образом он разработал квантово-механическое толкование эффекта Комптона. Расчеты Дирака делились на две части: численные манипуляции с числами q и толкование уравнений с позиции того, что можно наблюдать физически. Этот процесс идеально соответствует тому, как природа, казалось бы, «делает расчет», а затем дает нам наблюдаемое явление - скажем, переход электрона, - но, к сожалению, вместо того чтобы полностью развить эту идею, после 1926 года физики отвлеклись от квантовой алгебры, так как их вниманием завладело открытие еще одного математического метода, который мог разрешить давние проблемы квантовой теории, - волновой механики. Матричная механика и квантовая алгебра отталкивались от представления об электроне как о частице, совершающей переход из одного квантового состояния в другое. Но что насчет предположения де Бройля о том, что электроны, как и другие частицы, нужно рассматривать и как волны?

В версии квантовой механики, предложенной Дираком, ключевое выражение уравнений Гамильтона заменено квантовомеханическим выражением (ab - ba)/ih, представляющим собой другую форму выражения, которое Борн, Гейзенберг и Йордан назвали «фундаментальным квантовомеханическим равенством» в своей «статье трех», написанной раньше появления первой работы Дирака по квантовой механике, но опубликованной позже нее.

С характерной для себя искренней скромностью Дирак описал, как просто было совершить следующий шаг, уже зная, что верные квантовые уравнения были обычными классическими уравнениями, записанными в гамильтоновой форме. Чтобы разрешить любую из множества мелких загадок квантовой теории, достаточно было найти эквивалентные классические уравнения, сделать их гамильтоновыми и разрешить ребус. «Это была настоящая игра, очень и очень интересная. Как только кто-нибудь решал одну из этих маленьких проблем, можно было публиковать о ней статью. В те годы любому физику второго сорта было несложно заниматься первоклассной работой. Но те славные времена давно прошли. Теперь и первоклассному физику нелегко опубликовать работу второго сорта». (Пути физики. С. 7.)

Теория Шрёдингера

В те дни, когда матричная механика и квантовая алгебра совершали свой относительно негромкий дебют на научной сцене, в сфере квантовой теории происходило еще множество всего интересного. Казалось, европейская наука бурлила от идей, для которых настало подходящее время: тут и там появлялись всевозможные концепции, всплывавшие не всегда в логичном порядке и зачастую «открываемые» одновременно разными учеными. К концу

года уже появилась теория де Бройля о волнах электрона, но окончательные эксперименты, которые бы доказали волновую природу электрона, еще не были проведены. Независимо от работы Гейзенберга и его коллег это привело к другому открытию - квантовой математике, основанной на волновой идее.