В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Этот набор идей – принцип неопределенности, принцип дополнительности, вероятность и нарушение системы, наблюдаемой наблюдателем, – называется «Копенгагенской интерпретацией» квантовой механики, хотя никто в Копенгагене (или где бы то ни было еще) никогда не объединял все эти концепции в окончательном описании, озаглавленном «Копенгагенская интерпретация», а один из ее ключевых компонентов, статистическое толкование волновой функции, и вовсе обязан своим появлением Максу Борну из Геттингена. Копенгагенская интерпретация удовлетворила требованиям многих, если не всех, и характеризуется неустойчивостью, подходящей для неустойчивого мира квантовых хливких шорьков. Бор впервые представил эту концепцию публике в итальянском Комо в сентябре 1927 года. Это ознаменовало появление полной теории квантовой механики в форме, пригодной для использования любым компетентным физиком при решении проблем, связанных с атомами и молекулами: больше не нужно было ломать голову над основами, достаточно было желания следовать готовым рецептам и получать ответы.

В последующие десятилетия ученые вроде Дирака и Паули внесли фундаментальный вклад в эту сферу, и достижения пионеров новой квантовой теории были сполна отмечены Нобелевским комитетом, хотя награды распределялись в соответствии с удивительной логикой. Гейзенберг получил премию в 1932 году и ужаснулся тому, что вместе с ним не отметили его коллег Борна и Йордана; сам Борн много лет переживал из-за этого, часто подчеркивая, что Гейзенберг даже не знал, что такое матрица, пока он (Борн) не рассказал ему об этом. В письме Эйнштейну в 1953 году он заметил: «Тогда он действительно понятия не имел о том, что такое матрица. И именно он пожал все лавры за нашу совместную работу, получив даже Нобелевскую премию»[34]. Шрёдингер и Дирак разделили премию по физике в 1933 году, но Паули получил свою награду лишь в 1945-м – за открытие принципа исключения. Борну вручили Нобелевскую премию последним – в 1954 году – за изучение вероятностного толкования квантовой механики^[35]

.

И все же эта бурная деятельность – новые открытия 1930-х годов, присуждение премий и применение квантовой теории в десятилетия, последовавшие за Второй мировой войной, – не могла скрыть тот факт, что эра фундаментальных открытий была пока окончена. Возможно, мы стоим на пороге другой такой эры и новый прогресс будет связан с отказом от Копенгагенской интерпретации и приятной, как будто бы знакомой нам волновой функции Шрёдингера. Однако, прежде чем мы рассмотрим все эти невероятные возможности, необходимо описать, как многого достигла эта теория, которая в сущности была полностью сформулирована к концу 1920-х годов.

Глава седьмая

На кухне с квантом

Чтобы использовать рецепты из квантовой кулинарной книги, физики должны знать несколько простых вещей. Не существует модели, показывающей, чем в действительности являются атом или элементарные частицы, и ничто не дает нам понимания, что происходит, когда мы не наблюдаем за ними. Однако уравнения волновой механики (самый популярный и часто используемый вариант описания) могут быть использованы для получения предсказаний на статистической основе. Если мы проводим наблюдение квантовой системы и в результате измерений получаем А, то квантовые уравнения дают нам вероятность получения результата В (или С, D и так далее) при проведении того же измерения спустя некоторое время. Квантовая теория не объясняет, как выглядят атомы или что они делают, пока мы не наблюдаем их. К сожалению, большая часть людей, использующих сегодня волновые уравнения, не понимает этого и просто принимает на веру роль вероятностей. Студенты изучают то, что Тед Бастин назвал «кристаллизованной формой игры идей конца двадцатых… то, с чем способен работать при решении конкретных проблем средний физик, который никогда не задается вопросом о том, что он в действительности думает о фундаментальных задачах»[36]. Они учатся считать волны реальными, и лишь немногие заканчивают курс квантовой теории, не представляя наглядно картину строения атома. Люди используют вероятностную интерпретацию, при этом не вполне понимая ее суть, и это доказывает мощь уравнений, выведенных, в частности, Шрёдингером и Дираком, а также интерпретации Борна: даже не понимая, почему эти рецепты работают, люди способны весьма эффективно готовить на квантовой кухне.