В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

На первый взгляд, это было поразительно. Вскоре сам Шрёдингер, американец Карл Эккарт, а затем и Дирак математически доказали, что разные наборы уравнений фактически были эквивалентны друг другу, представляя собой разные взгляды на один и тот же математический мир. Уравнения Шрёдингера включали в себя и некоммутативность, и ключевой фактор h/v по сути в том же виде, в котором они фигурируют в матричной механике и квантовой алгебре. Когда было открыто, что разные подходы к проблеме были математически эквивалентны друг другу, уверенность физиков в каждом из них возросла. Казалось, что, какие математические формулы ни используй, сталкиваясь с фундаментальными проблемами квантовой механики, ты неизбежно приходишь к одинаковым «ответам». Говоря математически, вариация Дирака является наиболее полной, так как квантовая алгебра в качестве особых случаев включает в себя и матричную механику, и волновую механику. Однако физики 1920-х годов вполне ожидаемо предпочли использовать самую знакомую им версию уравнений, волны Шрёдингера, которые они понимали с позиций обычного мира. Эти уравнения были знакомы им из задач повседневной физики - из оптики, гидродинамики и тому подобных областей. Но сам успех версии Шрёдингера, возможно, отбросил все фундаментальное понимание квантового мира на несколько десятилетий назад.

Шаг назад

Оглядываясь в прошлое, не перестаешь удивляться тому, что Дирак не открыл (или не изобрел) волновую механику, поскольку сами уравнения Гамильтона, оказавшиеся столь полезными в квантовой механике, восходят к попыткам объединить волновые и корпускулярные теории света в XIX веке. Сэр Уильям Гамильтон родился в 1805 году в Дублине и считается многими одним из величайших математиков своего времени. Самым большим его достижением (хотя так не считали в то время) стало объединение законов оптики и динамики в один математический аппарат, в одну систему уравнений, которую можно использовать для описания как распространения волн, так и движения частиц. Эти работы были опубликованы в конце 1820-х и начале 1830-х годов, и оба подхода были подхвачены другими учеными. Во второй половине XIX века механика и оптика занимали ученых, но вряд ли хоть кто-то обратил внимание на объединенную механико-оптическую систему, которая представляла особенный интерес для Гамильтона. Явное следствие работы Гамильтона заключается в том, что точно так же, как «лучи» света должны замещаться концепцией волн в оптике, следы частиц должны замещаться волновыми движениями в механике. Но эта идея была столь чужда физикам XIX века, что никто - даже Гамильтон - не выразил ее. Не то чтобы она была высказана и отвергнута как абсурдная - она была в буквальном смысле слишком странной, чтобы вообще прийти кому-нибудь в голову. Ни один физик XIX века просто не мог прийти к такому выводу: эта идея могла появиться только тогда, когда неизбежно оказалась бы доказана неприменимость классической механики к описанию атомных процессов. Но не забывая о том, что именно он изобрел ту форму математики, в которой a

х b

Ф b

х а, не будет преувеличением сказать, что сэр Уильям Гамильтон, хоть это и было позабыто, стоял у истоков квантовой механики. Живи он дольше, он бы быстро заметил связь матричной механики с волновой. Дирак сделал это, но не стоит удивляться, что сначала он упустил эту связь. В конце концов, он был просто студентом, с головой погруженным в свое первое серьезное исследование, а возможности одного человека как-никак ограниченны. Возможно, гораздо важнее тот факт, что он работал с абстрактными идеями и, отталкиваясь от попытки Гейзенберга освободить квантовую физику от привычного представления об электронах, вращающихся на орбитах вокруг ядра атома, он не ожидал найти прекрасную, интуитивно понятную физическую картину атома. Ученые, однако, не сразу поняли, что и волновая механика, вопреки ожиданиям Шрёдингера, не снабдила физиков такой прекрасной картиной.

Шрёдингер полагал, что он избавился от квантовых скачков из одного состояния в другое, добавив в квантовую теорию волны. Он представлял «переходы» электрона из одного состояния в другое подобными изменению вибрации скрипичной струны от одной ноты к другой (одного обертона к другому), а волну в своем волновом уравнении приравнивал к волне материи, предложенной де Бройлем. Но пока другие ученые искали основополагающее значение уравнений, эти надежды вернуть на сцену классическую физику не оправдали себя. Бор, например, был разочарован волновой концепцией. Как волна - или несколько взаимодействующих волн - может заставлять счетчик Гейгера щелкать, как будто бы он засек единичную частицу? Что в атоме обладает «волновой» структурой? И, самое главное, как объяснить природу излучения абсолютно черного тела с позиции волн Шрёдингера? В результате в 1926 году Бор пригласил его в Копенгаген, и там они занялись этими проблемами, разработав решения, которые не слишком понравились Шрёдингеру.