История квантовой механики
В сегодняшней статье мы поговорим о квантовом мире и различных его аспектах. Разберемся с тем, как ученые пришли к сегодняшнему положению дел и к чему это в перспективе может привести
КЛАССИЧЕСКИЙ МИР ПОБЕДИЛ?
Как оказалось, квантовый мир живет по законам, совершенно отличным от наших, поэтому классическая физика при взгляде на квантовую немного грустит. Начиная с Бора и Эйнштейна, ученые пытаются повторить путь исследователей обычного мира, но уже на квантовом поприще и в разы быстрее, чем раньше.
К концу девятнадцатого века большинство ученых единодушно сошлись во мнении, что лучше уже не будет - механика Ньютона, статистика Больцмана и электродинамика Максвелла, казалось, могут разъяснить любое природное явление. Но оставались и более подозрительные исследователи, которые обращали внимание на до сих пор не разрешенные парадоксы физики.
Ключевой оказалась так называемая ультрафиолетовая катастрофа. В согласии с общепринятыми принципами, плотность энергии, которую излучает абсолютно черное тело, должна возрастать с уменьшением длины волны, а это нарушает законы сохранения энергии. Непонятно как и почему, но Макс Планк пришел к изящному решению этой проблемы, которым мы до сих пользуемся при изучении строении атома и ядра - электромагнитное излучение испускается и поглощается исключительно дискретными порциями, которые мы знаем как кванты. Кроме того, энергия кванта обратно пропорциональна длине волны.
Джозеф Томсон открывает электроны, и по этой причине ученые начинают всерьез интересоваться устройством микромира. На основании проведенных опытов Резерфорд впоследствии выдвигает планетарную модель атома, вовсе не лишенную противоречий.
В дело вмешался Нильс Бор со своим знаменитым запретом на излучение для электронов.
С того и началось. С тех пор многие последователи Планка, Бора и Эйнштейна продолжают вытаскивать тайны квантовой механики на свет. К ним присоединяется Луи де Бройль с крайне философской идеей - что, если грань между светом (электромагнитным излучением) и материей условна? И то и другое можно рассматривать и как волны, и как частицы. Это утверждение получило название универсального корпускулярно-волнового дуализма.
Руководствуясь этой идеей, Шредингер создает знаменитое волновое уравнение, Гейзенберг параллельно работает над матричной трактовкой квантовой механики и формулирует принцип неопределенности. Активно развивается математический аппарат новой науки.
В итоге квантовая механика оперирует сразу двумя математическими средствами, и, как ни странно, они согласуются между собой.
Маркс, Ленин, кванты
Математические модели квантовой механики вызвали большие философские дискуссии, потому что ученые пытались оценить их с этой точки зрения. Например, Шредингер был материалистом, волновую функцию создавал как статический объект, разделял позицию Маркса, Энгельса и Ленина с той точки зрения, что материя - объективная реальность, данная в ощущениях.
Гейзенберг вместе с Бором придерживались противоположной точки зрения - их интерпретация сути квантовой механики получила название копенгагенской.
Двое ученых считали, что принцип неопределенности следует трактовать буквально - у материи нет никаких свойств до тех пор, пока наблюдатель не наделит ее этими свойствами. В принципе, это так же может значить, что на самом деле материя имеет все свойства одновременно - в этом выражается принцип суперпозиции.
Человек, получается, когда пытается что-то измерить, совершает вмешательство в нормальное течение дел и заставляет материю принимать определенные состояния в ответ.
При этом материя возникает только в пределах нашего восприятия - в этом заключается суть субъективного идеализма.
Вольфганг Паули, Юджин Вигнер и Джон Уилер вообще настолько сильно любили философию, что увлекались солипсизмом, поэтому идея того, что человек определяет реальность на фундаментальном уровне, им очень понравилась. В дальнейшем в их экспериментах роль наблюдателя сводится к воздействию на квантовую систему измерительной установкой, построенной по правилам классической физики.
Джон Белл был из тех, кто не разделял такой радости познания мира. Он не понимал, почему такая квантовая механика озабочена исключительно результатами измерений и никак не классифицирует и не рассматривает сами “измерители” - меняются ли они с течением времени, или, может, они тоже не существуют до их определения человеческим воздействием. Почему весь мир не схлопнулся, если так хорошо разделить все сущее на “систему” и “аппарат”, под которым на нее можно посмотреть.
Кроме того, с такой интерпретацией науки, пресловутая волновая функция дает исчерпывающее описание квантовой системы, что, на самом деле, достаточно сложно. Значит, квантовая механика - высшая точка развития физики, наиболее четкая и самосогласованная теория, и лучше нее ничего не может быть придумано.
Чтобы не свести все разговоры к восхвалению квантовой механики, был постулирован феномен коллапса волновой функции - квантовая система имеет сразу все возможные состояния, подчиняется уравнению Шредингера, а когда происходит измерение - схлопывается, принимая абсолютно случайное конкретное значение.
Шредингеру такая мысль не понравилась, поэтому в качестве контраргумента от придумал знаменитую ситуацию с котом.
Нужно представить, что в некой хорошо изолированной от внешних воздействий коробке находится кот, а также ампула с быстродействующим ядовитым газом, которая разбивается механизмом, активирующимся при распаде радиоактивного элемента. Экспериментатору известно, что в некий промежуток времени вероятность распада 50/50. Это событие квантовой природы, а значит, вся система должна находиться в суперпозиции: атом и распался, и не распался, ампула не разбита и разбита, кот и жив, и мертв, что для повседневного восприятия представляется абсурдным.
Эйнштейну тоже не понравилось учитывание объективной случайности и он хорошо сказал по этому поводу: “Бог не играет в кости” - волновую функцию следует рассматривать вместе со статистикой и искать переменные, которые определяют вероятность выпадения какого-либо состояния при измерении системы.
Самая простая, на наш взгляд, интерпретация квантовой механики, принадлежит Дэвиду Мермину. “Shut up and calculate” - сказал ученый, и тем самым приостановил оживленные споры своих коллег.
Хью Эверетт вернулся к рассмотрению вопроса и предположил, что раз квантовая физика - это общая теория всего, то Вселенная не коллапсирует, когда мы измеряем ее, ничего не схлопывается, просто она расщепляется на множество подмиров, в каждом из которых наступает одно из возможных событий.
На сегодняшний день знаменитое высказывание о том, что никто не понимает квантовую механику, остается абсолютно верным. Однако эта наука имеет наиболее совершенный математический аппарат и позволяет в своем предельном случае рассматривать и соединять все события и явления классической физики.