В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Борн обнаружил новый способ толкования волн Шрёдингера. Важным аспектом уравнения Шрёдингера, соответствующим физической ряби на пруду из обычного мира, является волновая функция, которая, как правило, обозначается греческой буквой пси (ψ). Работая в Геттингене бок о бок с физиками-экспери-ментаторами, которые практически каждый день проводили новые опыты с электронами, снова и снова подтверждавшие их корпускулярную природу, Борн просто не мог принять, что эта функция пси соответствует «реальной» волне электрона, хотя, как и большинство физиков того времени (и тех, что жили позже), он решил, что волновые уравнения лучше всего подходят для решения многих проблем. Он попытался найти способ связать волновую функцию с существованием частиц. Взяв идею, которая уже появлялась раньше в споре о природе света, он переосмыслил ее. Частицы реальны, сказал Борн, но в некотором роде их направляет волна, и сила этой волны (точнее, значение ψ²

) в любой точке пространства определяет вероятность

обнаружения частицы в этой конкретной точке. Мы не можем с уверенностью сказать, где находится частица вроде электрона, но волновая функция позволяет нам рассчитать вероятность того, что при проведении эксперимента с целью обнаружения электрона он будет обнаружен в определенном месте. Главная странность этой идеи заключается в том, что она гласит, будто любой электрон может быть где угодно: его просто с огромной вероятностью можно обнаружить в одних местах и с минимальной вероятностью – в других. Но подобно статистическим законам, которые утверждают, что весь воздух в комнате может собраться в ее углах, толкование ψ, предложенное Борном, лишило и без того неопределенный квантовый мир еще некоторой определенности.

Идеи Бора и Борна тесно связаны с открытием Гейзенберга, сделанным в самом конце 1926 года, в соответствии с которым неопределенность действительно является неотъемлемым компонентом уравнений квантовой механики. Математика, которая утверждает, что pq ≠ qp, также утверждает, что мы не можем быть уверены даже в том, что именно представляют собой р и q. Если назвать р импульсом, скажем, электрона и использовать q для обозначения его положения, можно представить себе очень точное измерение либо р, либо q. Величину «ошибки» в наших вычислениях можно назвать Δρ или Δq, так как математики используют греческую букву дельта (Δ), чтобы обозначать небольшие различия в величинах. Гейзенберг показал, что, если попытаться – в этом случае – измерить и положение, и импульс электрона, успехом это не увенчается, поскольку Δρ × Aq должно всегда быть больше ħ, постоянной Планка, деленной на 2π. Чем точнее мы знаем позицию объекта, тем менее мы уверены в его импульсе – то есть в том, куда он движется. А если мы знаем точное значение импульса, мы не можем точно определить, где находится объект. Принцип относительности имеет далекоидущие следствия, которые описываются в третьей части этой книги. Важно, однако, понять, что он не обнаруживает никаких недостатков в экспериментах, разработанных с целью измерения свойств электрона. Первое правило квантовой механики заключается в том, что некоторые пары свойств, включая положение и импульс, в принципе невозможно точно измерить одновременно. На квантовом уровне не существует абсолютной истины[33]

.

Принцип неопределенности Гейзенберга измеряет ту величину, на которую пересекаются дополняющие друг друга описания электрона или других фундаментальных сущностей. Положение является, прежде всего, свойством частиц, ведь их позицию можно определить весьма точно. Волны, с другой стороны, не имеют точного положения, но обладают импульсом. Чем больше знаешь о волновом аспекте реальности, тем меньше знаешь о корпускулярном – и наоборот. Эксперименты, разработанные с целью засечь частицы, всегда засекают частицы, а эксперименты, разработанные с целью засечь волны, всегда засекают волны. Ни один эксперимент не показывает, что электрон одновременно ведет себя и как волна, и как частица.

Бор подчеркнул важность проведения опытов для понимания квантового мира. Только эксперименты позволяют нам исследовать квантовый мир, и каждый эксперимент, в свою очередь, задает вопрос квантовому миру. Вопросы эти во многом основаны на нашем повседневном опыте, поэтому мы ищем свойства вроде «импульса» и «длины волны» и получаем «ответы», которые толкуем с позиции этих свойств. Эксперименты уходят корнями в классическую физику, хотя мы и знаем, что классическая физика не подходит для описания атомных процессов. Кроме того, нам приходится вмешиваться в атомные процессы, чтобы вообще наблюдать их, поэтому, как заметил Бор, нет смысла спрашивать, как ведут себя атомы, когда мы на них не смотрим. Бор объяснил, что мы можем лишь рассчитать вероятность того, что конкретный эксперимент завершится конкретным результатом.