В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Прежде всего, при ближайшем рассмотрении сами волны оказались столь же абстрактными, как и числа q Дирака. Математика показала, что они не могли быть реальными волнами в пространстве, как рябь на пруду, а представляли собой сложную форму вибрации в воображаемом математическом пространстве, называемом пространством конфигураций. Хуже того, каждой частице (скажем, каждому электрону) нужны собственные три измерения. Одиночный электрон можно описать волновым уравнением в трехмерном пространстве конфигураций; для описания двух электронов необходимо шестимерное пространство конфигураций; для описания трех электронов – девятимерное и так далее. Что касается излучения абсолютно черного тела, даже при переводе всего на язык волновой механики потребность в отдельных квантах и квантовых скачках не исчезала. Шрёдингеру это претило, и он сделал ремарку, которую часто цитируют с небольшими различиями при переводе: «Знал бы я, что мы не сможем избавиться от проклятых квантовых скачков, я бы ни за что в это не впутался». Как выразился Гейзенберг в своей книге «Физика и философия»: «…Парадоксы дуализма волновой картины и картины частиц не были разрешены; они каким-то образом спрятались в математической схеме».

Без сомнения, приятная глазу картина физически реальных волн, распространяющихся вокруг ядра атома, которая привела Шрёдингера к открытию волнового уравнения, названного в его честь, неверна. Волновая механика ничуть не лучше описывает структуру квантового мира, чем матричная механика, но при этом, в отличие от матричной механики, создает иллюзию

знакомого и удобного инструмента. Именно эта приятная иллюзия, которая сохранилась и по сей день, заставила всех забыть о том, что атомный мир совсем не похож на обычный. Несколько поколений студентов, которые теперь уже сами стали профессорами, могли получить гораздо более глубокое понимание квантового мира, если бы их заставили свыкнуться с абстрактной природой подхода Дирака, вместо того чтобы пытаться представить себе поведение атомов на основании того, что они знали о поведении волн в обычном мире. И потому мне кажется, что хотя и были совершены огромные шаги к применению квантовой механики – на манер ингредиента для блюда из кулинарной книги – ко многим интересным проблемам (вспомните слова Дирака о физиках второго сорта, занимающихся первоклассной работой), спустя пятьдесят лет с момента открытия Дирака фундаментальное понимание квантовой физики современными учеными не глубже того, которым обладали их коллеги в конце 1920-х. Из-за успеха уравнения Шрёдингера в качестве практического инструмента люди перестали думать о том, как и почему работает этот инструмент. К 1980-м годам произошли минимальные изменения: теперь больше людей интересуются смыслом квантовой физики, но так и не найдено достойной альтернативы Копенгагенской интерпретации.

Квантовая кулинария

Основы квантовой кулинарии – практической квантовой физики, развивавшейся с 1920-х, – покоятся на идеях, предложенных Бором и Борном в конце 1920-х годов. Бор снабдил нас философским базисом, чтобы пересмотреть двойственную корпускулярно-волновую природу квантового мира, а Борн – общими правилами, которым необходимо следовать при использовании квантовых рецептов.

Бор заявил, что обе теоретические картины, физика частиц и физика волн, являются одинаково верными, дополняющими друг друга описаниями одной и той же реальности. Ни одно из этих описаний само по себе не является полным, но существуют обстоятельства, в которых предпочтительно использование концепции частиц, и обстоятельства, в которых предпочтительно использование волновой концепции. Фундаментальная сущность вроде электрона не является ни волной, ни частицей, но при определенных обстоятельствах она ведет себя, как волна, а при других обстоятельствах – как частица (а на самом деле она, конечно, представляет собой хливкого шорька). Но невозможно провести эксперимент, который показал бы, что электрон ведет себя одновременно и как волна, и как частица. Идея о том, что волна и частица являются дополняющими друг друга сторонами сложной сущности электрона, называется принципом дополнительности.