Розбираємося в суті квантової фізики з нуля
Сучасну фізику прийнято поділяти на дві великі гілки - класичну та квантову. Перша історично сходить до Галілею і Ньютону, друга - до Максу Планку і Альберту Ейнштейну. Квантова ідеологія спочатку знайшла собі місце в новій теорії електромагнітного випромінювання, однак без великої затримки поширилася на опис властивостей матерії на рівні атомів і молекул. На цій посаді вона стала основою нової науки, названої квантовою механікою. Спробуємо розібратися в її суті з нуля, без будь-яких попередніх знань.
Квантова механіка давно вийшла за свої початкові рамки. Вже до кінця першої третини ХХ століття вона стала незамінним інструментом теоретичного вивчення електричних і магнітних властивостей різних матеріалів. Вона потрібна для опису атомних ядер і частинок, з яких ті складаються, - протонів і нейтронів. Квантова механіка також лежить в основі наших знань про самих фундаментальних властивості матерії, яка заповнює Всесвіт. Без неї неможливо з'ясувати, звідки взялися хімічні елементи, чому спалахують, світять і вмирають зірки, як народжуються космічні промені і що відбувається при зіткненнях елементарних частинок. Загалом, це наука широкого профілю.
Але це не все. Квантова механіка показала, що в мікросвіті діють закони, які сильно суперечать нашому життєвому досвіду. Їх нелегко усвідомити, до них непросто звикнути, вони дивні і парадоксальні - і все ж справедливі!
Слово «механіка» має багато значень, проте з точки зору фізики це наука про рух, про переміщення в просторі. Тенісний м'яч летить над сіткою, поїзд мчить по рейках, вітри переносять повітряні потоки, Земля обертається навколо Сонця, а воно в свою чергу кожні двісті мільйонів років робить повний оборот навколо центру нашої Галактики. Ці рухи відбуваються під дією різних сил, іноді дуже складних. Однак всі вони описуються одними і тими ж законами, які в XVII столітті відкрив великий англійський фізик і математик Ісаак Ньютон. Пізніше їх не раз переписували за допомогою все нових математичних формул, але суть від цього не змінювалася. І двісті з гаком років фізики були впевнені, що велике творіння Ньютона не знає винятків.
Візьмемо найпростіше з усіх мислимих тел - крихітний кульку. Якщо закласти в рівняння механіки відомості про те, яка його маса, які сили на нього діють, де він знаходиться в початковий момент і яку при цьому має швидкість, можна буде обчислити положення (як кажуть фізики, координати) і швидкість кульки в усі наступні моменти . Щоб описати рух тіла складної форми, треба знати побільше, і на практиці такі розрахунки можуть виявитися дуже трудомісткими не тільки для людини, але і для суперкомп'ютера, але це вже справа техніки.
Ньютоновская механіка має справу тільки з тими рухами, які задаються координатами тіл і їх швидкостями. При цьому вона приймає без доказів, що всі ці величини можна одночасно виміряти з будь-якою точністю - в усякому разі, в принципі. Саме це припущення дозволяє вважати, що тіло в будь-який момент знаходиться в певному місці в просторі і при цьому має певну швидкість. Якщо від нього відмовитися, рівняння ньютонівської механіки не тільки втратять силу, а й стануть безглуздими. Це легко зрозуміти - адже координати і швидкості фігурують в них на рівних правах і в поєднанні один з одним.
Тепер подумаємо, як на практиці виконати такі вимірювання. Припустимо, ми стежимо за літаком за допомогою радіолокатора. Імпульси радіохвиль відбиваються від корпусу машини, і прилад видає на дисплеї її координати і швидкість. При відображенні кожен імпульс передає літаку частину своєї енергії і тим самим трохи змінює його швидкість. Однак кінетична енергія літака настільки перевищує енергію опромінення, що ці зміни ніяк себе не виявляють і можуть вважатися нульовими. Це і дає підстави стверджувати, що наш прилад одночасно відстежує і шлях, і швидкість літака. Те ж саме відбувається і при будь-яких вимірах руху великих (як кажуть фізики, макроскопічних тіл) за допомогою радіохвиль, світла або чогось ще. Навіть просто «на око» прикинути відстань до сусідньої машини на шосе можна тільки тому, що вона відбиває світло - інакше ми б її просто не побачили. Це саме можна сказати і до оцінки її швидкості.
Але ось чи можна таким же шляхом одночасно виміряти координати і швидкість мікрочастинки - скажімо, електрона? Електрони несуть електричні заряди і тому розсіюють електромагнітні хвилі, в тому числі і світло. Отже, електрон в принципі можна відловити, піймавши відбитий від нього електромагнітний імпульс. Однак його положення в просторі нам вдасться визначити лише з похибкою, величина якої приблизно дорівнює довжині хвилі випромінювання, яке ми використовували в нашому локаторі. Для підвищення точності цю довжину треба зменшувати, переходячи від видимого світла до ультрафіолету, потім до рентгенівським променям, потім до гамма-випромінювання. Щоб виміряти швидкість електрона, таку локацію треба виконати як мінімум двічі, причому через короткий проміжок часу.
Тепер ми підійшли до головного - до моменту істини. Як вже говорилося, електромагнітний імпульс передає частину своєї енергії об'єкту, на якому він розсіюється. Після відображення імпульсу кінетична енергія електрона зміниться, а тому зміниться і його швидкість. Електрон може прискоритися, загальмуватися або повернути, але в будь-якому випадку його рух не буде колишнім. Цього не станеться лише в тому випадку, якщо ми весь час будемо обстрілювати електрон тільки такими імпульсами, чия енергія практично дорівнює нулю в порівнянні з його власної. Як тільки що говорилося, для досягнення все більшої точності у вимірюванні координат треба раз по раз зменшувати довжину хвилі, на якій працює наш уявний локатор (тобто збільшувати частоти). Чи можна це зробити, зберігаючи енергію імпульсів на як завгодно малому рівні?
Якби комусь спало на думку поставити таке питання відразу після відкриття електрона в 1897 році, відповідь міг би бути тільки позитивним. Тоді вважалося, що енергія електромагнітної хвилі може бути як завгодно малої при будь-якої довжини хвилі. Але вже через три роки було доведено, що Природа такої свободи не допускає.
Цим найважливішим відкриттям наука зобов'язана німецькому фізику-теоретику Максу Планку. У той час фізиків дуже цікавило теплове випромінювання нагрітих тіл (скажімо, праски або розпеченої нитки електричної лампочки). На цей рахунок було виконано багато експериментів, однак їх результати ніяк не вдавалося звести до однієї формули. У 1900 році Планк показав, що таку формулу можна отримати, якщо припустити, що теплове випромінювання випускається і поглинається окремими пакетами, а зовсім не безперервно. Енергія кожного пакета дорівнює частоті випромінювання, помноженої на нову фізичну константу, яку назвали постійної Планка.
Нова теорія радикально розходилася з тодішніми уявленнями про природу електромагнітних хвиль (а теплове випромінювання - це просто його різновид). Всі хвильові процеси вважалися абсолютно безперервними. За Планку же виходило, що це властивість відноситься хіба що до вже народилися хвилях, які поширюються в просторі. Процеси випускання і поглинання хвиль, навпаки, можуть здійснюватися тільки порційно (як кажуть фізики, дискретно). Загалом, якщо електромагнітне випромінювання - це море, то черпати з нього (або додавати в нього) воду можна тільки кружками певної місткості.
Наступний крок через п'ять років зробив Альберт Ейнштейн у своїй теорії фотоефекту. Так називається процес, в ході якого світло вибиває електрони з поверхні різних речовин. Це явище в 1887 році відкрив Генріх Герц - він же першовідкривач електромагнітних хвиль. На початку двадцятого століття було встановлено, що енергія електронів, що вилітають зростає разом з частотою падаючого випромінювання. Щоб пояснити цей результат, Ейнштейн припустив, що планковские енергетічсескіе пакети зберігаються і при поширенні світла. Світловий потік виявився зовсім не безперервним, він розпадається на окремі «зерна», які Ейнштейн назвав світловими квантами (латинське слово «кванта» означає «кількість»). Так в мові фізики з'явився термін, який в майбутньому дав назву нової механіки.
Повернемося до уявного експерименту з вимірюванням руху електрона. Як говорилося, ми можемо уточнювати його позицію, обстрілюючи електрон світловими імпульсами все меншої довжини хвилі. Це означає, що для локації електрона доведеться використовувати кванти все більшої частоти, а отже, енергії. Зустріч з кожним таким квантом буде все сильніше міняти його швидкість. А для скільки-небудь точного вимірювання швидкості доведеться використовувати світло дуже малих частот, що складається з квантів майже нульової енергії. Зменшення частоти означає зростання довжини хвилі, так що позицію електрона ми будемо вимірювати з усе більшою похибкою.
До чого ж ми прийшли? Ми припустили, що електрону в будь-який момент можна приписати і певне положення в просторі, і певну швидкість. Однак наш уявний експеримент показав, що квантова структура світла не дозволяє одночасно виміряти і те, і інше. Це принциповий заборону, він не залежить від пристрою і якості вимірювальних приладів. Чим точніше ми визначаємо стан електрона, тим сильніше міняємо його швидкість, в той час як точне вимірювання швидкості унеможливлює вимір позиції. Однак фізика не має справи з уявними речами, це досвідчена наука. Тому наше початкове припущення про наявність у електрона просторових координат і швидкості не має фізичного сенсу і має бути відкинуто. Висловлюючись інакше електрон не може одночасно мати і певну швидкість, і певне положення в просторі. Виходить, що для опису руху електрона ньютоновская теорія не годиться. Тут потрібна зовсім інша механіка, що враховує квантову природу світла.
Ці міркування могли б прийти в голову якомусь фізику одразу після появи ейнштейнівською теорії фотоефекту. До них міг додуматися сам Ейнштейн, який дуже любив уявні експерименти і чудово вмів ними користуватися (саме з їх допомогою він створив свою теорію відносності). Однак цього не сталося, і народження нової механіки довелося чекати ще двадцять років.