Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Преемственность с привычной нам картиной движения поддерживают универсальные атрибуты движения, такие как энергия, количество движения и количество вращения. Однако в квантовом мире обращение с ними требует аккуратности. Не все эти величины определены одновременно для одного объекта, а те, которые определены, часто ограничены сериями значений, которыми управляют наборы целых чисел. Элементарные частицы, являющиеся бесструктурными образованиями, несут еще более абстрактные атрибуты «внутреннего» (спинового) количества вращения. На самом фундаментальном уровне квантовых полей передача энергии и количества движения от одних квантов полей к другим осуществляется в актах обмена виртуальными частицами.

При этом движение остается связующим звеном между привычным нам макроскопическим восприятием мира и тем, что происходит в субатомном мире: мы используем движение, которым можем управлять и результаты которого можем наблюдать, для «прощупывания» структуры мира на сверхмалых масштабах.

Прогулка 11В поисках утраченного движения

Маршрут:От величины к высказыванию. – Как же о них думать. – Урок демократии. – Дискретное и непрерывное. Уединение и вдохновение. – Движение и энергия на вершине абстракций. – Уравнение Шрёдингера. – Волновая функция в поисках реальности. – Правило Борна. – Главная тайна квантовой механики. – Реальны все! – Часть и целое. – Ловушка Белла. – Основные подозреваемые. – Лоцманы спасают реализм. – Вспышки в пустоте. – Реализм по выбору. – Ускользающая реальность.

Главный герой:пси-функция

От величины к высказыванию. Уравнение Шрёдингера – главное уравнение квантовой механики – призвано ответить на вопрос, что будет, если известно, что имеет место сейчас. В этом качестве оно заменяет собой уравнения движения, но, как оказалось, требует существенных уточнений в понимании того, что значит «имеет место» (а отчасти и того, что значит «будет»). Вообще-то способность делать предсказания на основе подходящих уравнений и начальных условий мы обычно и принимаем за исчерпывающее понимание природы вещей. При этом, как правило, подразумевается нечто «совершенно очевидное»: описываемые явления происходят в пространстве, причем происходят с объектами, которые существуют во всей своей полноте и «сами по себе». В этой картине достаточно малые тела находятся в определенных точках пространства и обладают определенными скоростями и другими присущими им свойствами, которые все, вместе взятые, и определяют состояние каждого тела. Но уравнение Шрёдингера ни с чем таким дела иметь не собирается. Оно вообще оперирует абстракциями такого уровня, который до сих пор нам не встречался. С ними пришлось примириться под давлением обстоятельств – ради того, чтобы описать происходящее с атомами, электронами и т. д. Среди этих абстракций можно искать фрагменты наших обычных представлений о движении и даже некоторые находить, но в целом в квантовой механике осталось не так много «механического» в привычном смысле. Сложности, дающие о себе знать практически сразу, вызваны попарной враждой среди величин, которые вроде бы необходимы для описания мира (для описания каждого его состояния), но которые не могут одновременно принимать числовые значения. А как можно предсказывать будущее поведение, если разрешается говорить или о положении, или о количестве движения? Из-за попарной вражды оказывается, что не враждующих между собой величин – половина от общего числа, поэтому дело выглядит так, как будто мы остаемся с каким-то ущербным, заведомо неполноценным описанием природы. Как вообще описывать мир, когда из переменных, которые должны бы его описывать, про половину предлагается забыть?

Чтобы разрешить эту «загадку половины», надо было, как оказалось, не пробиваться напролом, что невозможно, а выбрать обходную дорогу. Она довольно необычна. Да, в наших руках одновременно может находиться только «половина мира» – половина от привычного набора величин. Но с этими величинами происходит довольно беспрецедентная метаморфоза; я не перестаю удивляться, как до этого вообще удалось додуматься.