Читаем Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали полностью

Сперва он интерпретировал ее как связанную с «некоторым колебательным процессом в атоме». Позднее для системы электронов Шрёдингер более точно объяснял квадрат модуля волновой функции (модуль волновой функции, умноженный на самого себя) как что-то вроде «весовой функции», связанной с плотностью заряда (или «плотности электричества», как он ее называл) в определенной области пространства. То есть он представлял отдельный электрон размазанным по всему пространству. Другими словами, он в прямом смысле представлял электрон не как частицу, находящуюся в определенной точке пространства, а как волну, распределенную по нему.

Шрёдингер не один размышлял о физическом смысле волновой функции. Несколько ученых начинали приходить к заключению, что волновая функция была на самом деле связана со своего рода квантовой вероятностью, сильно отличающейся от вероятности классической механики. Среди них были Поль Дирак (1902–1984), Юджин Вигнер (1902–1995) и, в первую очередь, Макс Борн. Работа Борна четко определяла физический смысл волновой функции и природу квантовой вероятности. Он писал: «Движение частиц подчиняется законам вероятности…»

Иначе говоря, движение квантовых частиц, таких как электроны, не управляется детерминированными уравнениями, как в случае классических частиц (или макроскопических объектов). В результате, в отличие от классической частицы, квантовая не движется по четко определенной физической траектории с хорошо определенными значениями величин, описывающих основные ее характеристики, такие как положение, импульс, энергия и другие подобные в каждый момент времени. Вместо этого, согласно Борну, эти физические величины (и многие другие) полностью определяются квантовой вероятностью, которая пропорциональна квадрату модуля волновой функции. Как и Шрёдингеру, Борну квадрат модуля волновой функции раскрыл секрет истинного физического смысла волновой функции. Однако он понимал эту величину совершенно по-другому.

Борн также отмечал, что «сама вероятность распространяется согласно закону случая». То есть, хотя движение квантовой частицы не является детерминированным, квантовая вероятность, определяющая окончательный исход, является, и она дается волновым уравнением Шрёдингера (поскольку оно задает волновую функцию, а значит, и ее квадрат модуля). Это чем-то напоминает то, как мы обсуждали больцмановскую вероятность (в части 2). Вспомним, что больцмановская вероятность дает вероятность того, что произойдет определенное микросостояние из многих возможных для системы частиц. Однако все же есть важное отличие.

Больцмановская вероятность была математически удобной для рассмотрения системы очень большого числа частиц. Для такой системы просто невозможно использовать уравнение Ньютона, определяя физические траектории всех без исключения частиц. Это не означает, что их траектории и соответствующие положения, импульсы, энергии и им подобные не существуют. Несомненно, что в классической механике они существуют. И это всего лишь означает, что решение данной математической проблемы громоздкое. Таким образом, мы обращаемся к использованию больцмановской вероятности, потому что оно очень упрощает исходную проблему, позволяя нам рассчитывать средние величины для всей системы частиц.

В случае вероятности, связанной с квантовой механикой, ситуация совершенно другая. Здесь квантовая вероятность — это не просто способ упрощения некоторой сложной математики до более податливой проблемы. В квантовом мире вероятностная природа является физической реальностью. Поэтому единственное, что мы можем знать о квантовой частице, — это вероятность, которую вы обнаружите в данном квантовом (микро) состоянии. Итак, если в классической механике речь идет об эволюции частицы согласно уравнению Ньютона вдоль заданной траектории, то в квантовой механике эволюционирует вероятность для частицы согласно уравнению Шрёдингера, переводя ее из одного квантового состояния в другое.

Интерпретация Борна решила серьезные проблемы, связанные с волновым уравнением Шрёдингера. Теперь стало ясно, как непрерывная волновая функция могла привести к возникновению дискретных уровней энергии, доступных электрону: волновая функция движется в пространстве вероятностей — не физическом — «направляя» электрон из одного квантового состояния в другое. Так, вероятностная природа квантового мира, которую Гейзенберг явно включил свою теорию, также присутствует и в теории Шрёдингера. Интерпретация Борна также вновь подтвердила электронные скачки в атоме Бора; теперь эти электронные переходы были наделены математической вероятностью их возникновения. Однако электронные орбиты (чисто классическое понятие), которые в течение некоторого времени впадали в немилость, в конце концов исчезли раз и навсегда. Для Шрёдингера это было уже слишком.

Перейти на страницу:

Все книги серии Удивительная Вселенная

Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда
Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда

Темное вещество, гравитация, возможность межгалактических полетов и Теория Большого взрыва… Изучение тайн Вселенной подобно чтению захватывающего романа. Но только если вы хорошо понимаете физику, знаете, что скрывается за всеми сложными терминами и определениями. В самых головоломных вопросах науки вам поможет разобраться Нил Деграсс Тайсон – один из самых авторитетных и в то же время остроумных астрофизиков нашего времени. Он обладает особым даром рассказывать о сложнейших научных теориях понятно, интересно и с юмором.Новая книга Нила Тайсона – это очередное захватывающее путешествие в мир современной науки. Вы узнаете о самых последних открытиях, сможете проследить секунда за секундой рождение Вселенной, узнаете новейшие данные о темной материи и происхождении Земли. И чтобы понять все это, вам не понадобится никакого специального образования: достаточно даже слегка подзабытого курса средней школы и любопытства. А закрыв эту книгу, вы поймете, что астрофизика не так сложна, как казалось! Это полезное и увлекательное чтение для всей семьи. Читайте, чтобы не отстать от научно-технического прогресса.

Нил Деграсс Тайсон

Зарубежная образовательная литература, зарубежная прикладная, научно-популярная литература
Всё и разум
Всё и разум

Знаменитый во всем мире популяризатор науки, ученый, инженер и популярный телеведущий канала Discovery, Билл Най совершил невероятное — привил любовь к физике всей Америке. На забавных примерах из собственной биографии, увлекательно и с невероятным чувством юмора он рассказывает о том, как наука может стать частью повседневной жизни, учит ориентироваться в море информации, правильно ее фильтровать и грамотно снимать «лапшу с ушей».Читатель узнает о планах по освоению Марса, проектировании «Боинга», о том, как выжить в автокатастрофе, о беспилотных автомобилях, гениальных изобретениях, тайнах логарифмической линейки и о других спорных, интересных или неразрешимых явлениях науки.«Человек-физика» Билл Най научит по-новому мыслить и по-новому смотреть на мир. Эта книга рассчитана на читателей всех возрастов, от школьников до пенсионеров, потому что ясность мысли — это модно и современно!

Билл Най

Зарубежная образовательная литература, зарубежная прикладная, научно-популярная литература
Научные сказки периодической таблицы. Занимательная история химических элементов от мышьяка до цинка
Научные сказки периодической таблицы. Занимательная история химических элементов от мышьяка до цинка

Таблица Менделеева занимает в нашем воображении такое же прочное место, как и алфавит, календарь и знаки зодиака. Но сами химические элементы, помимо нескольких самых распространенных: железа, углерода, меди, золота, – покрыты завесой тайны. По большей части мы не знаем, как они выглядят, в каком виде встречаются в природе, почему так названы и чем полезны для нас.Добро пожаловать на головокружительную экскурсию по страницам истории и литературы, науки и искусства! «Научные сказки» познакомят вас с железом, которое падает с неба, и расскажут о скорбном пути неонового света. Вы узнаете, как гадать на свинце и почему ваш гроб в один далеко не прекрасный день может оказаться цинковым. Вы обнаружите, что между костями вашего скелета и Белым домом в Вашингтоне есть самая прямая связь – как и между светом уличного фонаря и солью у вас на столе.Жизнь человечества строится на химических элементах – от древних цивилизаций до современной культуры, от кислорода, о котором знают все, до фосфора в моче, о котором известно лишь специалистам. Они повсюду. «Научные сказки» раскроют их сенсационные секреты и расскажут о бурном прошлом, а читателя ждет увлекательное путешествие по шахтам и художественным студиям, по фабрикам и соборам, по лесам и морям, где он узнает всю правду об этих чудесных и загадочных строительных кирпичиках Вселенной.

Хью Олдерси-Уильямс

Зарубежная образовательная литература, зарубежная прикладная, научно-популярная литература / Научно-популярная литература / Образование и наука
Письма астрофизика
Письма астрофизика

Эта книга не только о том, как устроена Вселенная, хотя, казалось бы, разговоров как раз на эту тему следует ожидать от увлеченного астрофизика. Все дело в том, что поклонники и противники Нила Деграсса Тайсона в своих письмах спрашивают его не только об инопланетной жизни, звездных системах, путешествиях в пространстве, параллельных вселенных и прочих космических штучках. Они хотят знать, как относиться к теории эволюции, как построить вечный двигатель, когда ждать конца света, как пережить утрату близкого человека, изменить свою жизнь… И автор осторожно делится своим мнением на этот счет, обнаруживая не только широкий кругозор и интеллигентное чувство юмора – о котором всем известно, – но также и мудрость, и чуткость, и простоту.

Нил Деграсс Тайсон

Зарубежная образовательная литература, зарубежная прикладная, научно-популярная литература / Зарубежная образовательная литература / Образование и наука

Похожие книги

Тайны нашего мозга или Почему умные люди делают глупости
Тайны нашего мозга или Почему умные люди делают глупости

Мы пользуемся своим мозгом каждое мгновение, и при этом лишь немногие из нас представляют себе, как он работает. Большинство из того, что, как нам кажется, мы знаем, почерпнуто из «общеизвестных фактов», которые не всегда верны...Почему мы никогда не забудем, как водить машину, но можем потерять от нее ключи? Правда, что можно вызубрить весь материал прямо перед экзаменом? Станет ли ребенок умнее, если будет слушать классическую музыку в утробе матери? Убиваем ли мы клетки своего мозга, употребляя спиртное? Думают ли мужчины и женщины по-разному? На эти и многие другие вопросы может дать ответы наш мозг.Глубокая и увлекательная книга, написанная выдающимися американскими учеными-нейробиологами, предлагает узнать больше об этом загадочном «природном механизме». Минимум наукообразности — максимум интереснейшей информации и полезных фактов, связанных с самыми актуальными темами; личной жизнью, обучением, карьерой, здоровьем. Приятный бонус - забавные иллюстрации.

Сандра Амодт , Сэм Вонг

Медицина / Научная литература / Прочая научная литература / Образование и наука