Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Сменим стратегию и отметим точку пространства, в которой обнаружен электрон, затем еще одну точку – результат аналогичного измерения с другим электроном, и многократно повторим эту процедуру. Хоть и невозможно предсказать, где появится следующая отметка, все же их распределение следует некоему правилу. Плотность отметок, которая варьирует в зависимости от точки пространства, указывает на вероятность нахождения электрона во время измерения. Мы были вынуждены отказаться от описания движения электрона, но можем теперь определить вероятность его нахождения в каждой точке пространства. Поведение электрона в наномире характеризуется вероятностью!

Читатель, не знакомый с этой концепцией, не может оценить роль случайности в законах природы. Эйнштейн, являясь одним из основателей квантовой физики (илл. 7), был потрясен предложенной концепцией квантового индетерминизма. Убежденный детерминист, он однажды написал Максу Борну: «Бог не играет в кости»[28]. Тем не менее, как вы увидите, такая вероятностная теория подтверждается серьезными экспериментальными доказательствами.

7. Знаменитый Сольвеевский конгресс 1927 года собрал почти всех основателей квантовой механики. Семнадцать присутствующих ученых были удостоены Нобелевской премии! Первый ряд, слева направо: И. Ленгмюр, М. Планк, М. Кюри, Х. Лоренц, А. Эйнштейн, П. Ланжевен, Ш. Гюи, Ч. Вильсон и О. Ричардсон. Второй ряд: П. Дебай, М. Кнудсен, У. Брэгг, Х. Крамерс, П. Дирак, А. Комптон, Л. де Бройль, М. Борн, Н. Бор. Третий ряд: О. Пикар, Э. Анрио, П. Эренфест, Э. Герцен, Т. де Дондер, Э. Шрёдингер, Ж. Э. Вершафельт, В. Паули, В. Гейзенберг, Р. Фаулер, Л. Бриллюэн

Таким образом, в наномире нахождение электрона определяется законами вероятности. Расставленные нами отметки в совокупности напоминают облако, так же как капельки воды образуют в небе облака различной плотности. Такое «электронное облако» является более точным представлением об электроне, чем маленькая планета, вращающаяся вокруг ядра, как его изображал Резерфорд.

Волна де Бройля и уравнение Шрёдингера

Что же определяет структуру электронных облаков? Существует ли уравнение, которое описывает квантовую механику так же, как классическую механику описывают законы Ньютона (см. главу 4, врезку «Ньютоновская механика»)? Да, такое уравнение существует. Оно было предложено в 1925 году австрийским физиком Эрвином Шрёдингером (1887–1961) и является основой атомной физики и теоретической химии.

Теория Шрёдингера обобщила предложенную годом ранее французом Луи де Бройлем (1892–1987) революционную идею, которая состояла в том, что с любой частицей, обладающей импульсом p, можно связать волну длиной λ = h/p. Таким образом, любая частица может проявлять как корпускулярное поведение, так и волновое, как это делает свет (см. главу 3, «Интерференция и когерентность»). Подобно предложенной Джеймсом Максвеллом (1831–1879) волновой теории света, где электрическое поле E (x, y, z, t) является функцией времени и трех пространственных координат, уравнение Шрёдингера описывает состояние частицы с помощью «волновой функции» ψ (x, y, z, t), квадрат модуля которой определяет плотность вероятности нахождения частицы в заданный момент времени t в точке (x, y, z). Этот подход был основан на аналогии с оптикой, где квадрат модуля электрического поля определяет вероятность нахождения фотона в данной точке. Различие же заключается в том, что электрическое поле является физически измеримым, например, по его действию на электрически заряженные объекты, тогда как введенная де Бройлем «волновая функция» ясного физического смысла не имела.