Давайте будем честны: квантовая механика бесит. Она просто берет и переворачивает все с ног на голову, выбрасывает в мусорное ведро все законы физики, к которым мы привыкли.
Поместите частицу в коробку. Исходя из классической физики (и здравого смысла), эта частица останется там до тех пор, пока кто-нибудь ее оттуда не вытащит. Она даже может остаться там навсегда, если ее не трогать. Но нет, квантовая механика говорит, что в следующий раз, когда вы откроете коробку, этой частицы там уже может не быть. А когда вы откроете снова, она вполне может опять там появиться. Классическая физика позволяет вам точно измерить и импульс, и положение конкретного объекта, потому что они независимы. Но квантовый мир устроен иначе: здесь, чем больше вы знаете об одном свойстве, тем меньше знаете о другом. Это волна или частица? Выберите что-то одно, и по логике оно уже не сможет стать другим. Но спросите своего друга квантового физика, и он скажет вам, что вообще-то оно может быть и тем, и другим.
Квантовый мир сложный и запутанный, но по мере увеличения масштабов правила субатомного мира уходят, и начинает работать нормальная классическая физика. Почему? Ученые проделали долгий и трудный путь, пытаясь ответить на этот вопрос, но единственно верной разгадки этой тайны все еще нет.
По одному атому за раз
Первым, кто начал «маркировать» квантовый мир, был датский физик Нильс Бор. В начале двадцатого века многие ученые стали замечать странное поведение атомных и субатомных систем. Спустя несколько десятилетий сложных исследований они поняли, что некоторые свойства, например, энергия, складываются из нескольких уровней, которые назвали квантами. В тот момент физики только начали подбирать подходящую математическую основу для объяснения своих опытов, но пока никто не мог выработать полную и, что главное, непротиворечивую схему.
Одним из первых, кто все же попытался, был Бор. Спойлер: у него не получилось. В то время невозможно было представить полную теорию квантовой механики, но он все же смог заложить фундамент для нее. Также он продвигал некоторые идеи, которые впоследствии стали краеугольными камнями для всей современной квантовой теории.
Один из первых экспериментов Бора стала попытка смоделировать атом. В двадцатых годах прошлого века физика уже развилась настолько, чтобы понять, что атом состоит из тяжелого, плотного и положительно заряженного ядра, вокруг которого летают отрицательно заряженные электроны. Также ученые уже знали, что атомы могут поглощать и испускать излучение лишь при определенном количестве энергии.
Как выглядел эксперимент Бора? Он поместил электроны вокруг ядра, выведя их на орбиту, как планеты в Солнечной системе. В реальном космосе планеты могут двигаться по любой орбите, но в эксперименте Бора электроны были помещены на конкретные дорожки, имеющие фиксированные орбитальные расстояния. При переходе электронов между орбитами образовывалась некоторая энергия, при которой атом получал или отдавал определенное излучение. В ходе этого нехитрого опыта была закодирована квантовая природа атома.
Квантовая связь
На перемещении электронов эксперимент Бора не закончился. Он знал, что есть несколько способов построить квантовую модель атома, так почему нужно использовать именно этот? Задумываясь над этим вопросом, он увидел, что, когда электроны находятся далеко от ядра, их квантовая природа теряется, что позволяет описать атом полностью классическим электромагнетизмом, как две заряженные частицы.
Принцип соответствия: "Поведение квантовомеханической системы стремится к классической физике в пределе больших квантовых чисел".
Это называется принципом соответствия, и по утверждению Бора такая модель атома лучшая. Можно использовать любую квантовую теорию, которая вам по душе, но правильной будет именно та, что при определенных условиях может уступить место классической физике. В случае с атомом Бора – когда электроны сильно отдаляются от ядра.
Модель атома, предложенная Бором, все еще была не полной. Позже ее заменили моделью валентной оболочки, которая используется до сих пор. Но появилась она лишь благодаря фундаменту, заложенному Бором. Его принцип соответствия стал путеводной звездой для многих ученых, что позволило им наконец-то создать правильную математическую основу для описания субатомного мира.
И как будто бы этого было мало, Бор решил продолжить. Он сказал, что несмотря на то, что принцип соответствия допускает связь квантовой и классической физикой, эти два мира не одинаковы.
Нет кванта для вас
Пока Бор придумывал свою модель атома, его хороший друг немецкий физик Вернер Гейзенберг занимался выведением своего принципа неопределенности. Он заключается в том, что, измеряя положение частицы, вы не будете знать ничего о ее текущем импульсе. Это работает и в обратную сторону – измерьте импульс, и потеряете всю информацию о ее местоположении.
Принцип неопределенности: "Чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую".
Бору эта идея понравилась, и он стал ее изучать. Он видел принцип неопределенности Гейзенберга частью чего-то большего в квантовом мире. В конце концов физик пришел к выводу, что все в этом приходит парами. Рассмотрим самую известную квантовую пару: волна и частица. Классическая физика говорит, что, если что-то является волной, оно уже не может быть частицей, и наоборот. Чтобы описать поведение этого «чего-то», вам необходимо понять, что это такое. Но в квантовой механике эти свойства объединены в единое целое. То есть ваше «что-то» здесь одновременно является и волной, и частицей», в разные моменты проявляя свойства и того, и другого.
Помимо этого, квантовые правила основаны на вероятностях – то есть, грубо говоря, квантовая механика по большей части лишь воспроизводит классическую физику. Основываясь на этом, Бор заявил, что первая никогда не сможет объяснить вторую. Проще говоря, по его мнению, атомы и субатомные системы работают по одним правилам, а люди и машины – по другим. Может их и связывает принцип соответствия, но в остальном их миры параллельны и никогда не пересекаются.
Прав ли оказался Бор? Никто не знает. Одни физики утверждают, что нам просто нужно больше времени, чтобы научиться воспроизводить классическую физику чисто квантовыми правилами. Другие же говорят, что Бор уже все сказал еще сто лет назад, и добавить им нечего. Большинство вообще ничего не отвечают – они заняты математикой, и пока цифры не дадут им верное решение, они свое мнение высказывать не станут.
