Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Теория также дает информацию о том, какое значение спектра проявит себя в следующем взаимодействии, но лишь в форме вероятностей. Мы не знаем с уверенностью, где окажется электрон, но мы можем вычислить вероятность того, что он появится в том или ином месте. Это радикальное изменение по сравнению с теорией Ньютона, которая, в принципе, допускала возможность предсказывать будущее с полной уверенностью. Квантовая механика привносит вероятность в самое сердце эволюции всех вещей. Эта неопределенность – третий краеугольный камень квантовой механики: открытие того, что вероятность работает на атомном уровне. В то время как ньютоновская физика позволяет с полной определенностью предсказывать будущее, если мы располагаем достаточной информацией о начальном состоянии и можем выполнить необходимые вычисления, то квантовая механика позволяет нам вычислить лишь вероятность события. Это отсутствие детерминизма на малых масштабах – неотъемлемое свойство природы. Природа не обязывает электрон двигаться вправо или влево; он делает это случайно. Видимый детерминизм макроскопического мира связан только с тем фактом, что микроскопические случайности в среднем гасят друг друга, оставляя лишь флуктуации, слишком малые для нашего восприятия в повседневной жизни.

Таким образом, дираковская квантовая механика предоставляет нам две возможности. Во-первых, мы можем вычислить, какие значения способна принимать физическая переменная. Это называется вычислением спектра физической переменной; здесь проявляется зернистая природа вещей. Когда объект (атом, электромагнитное поле, молекула, маятник, камень, звезда и т. д.) взаимодействует с другим объектом, полученные числа – это те значения, которые могут иметь переменные при взаимодействии (реляционность). Во-вторых, квантовая механика Дирака позволяет нам вычислить вероятности того, что переменная примет то или иное значение при следующем взаимодействии. Это называется вычислением амплитуды перехода. Вероятность выражает третью особенность теории – неопределенность – тот факт, что теория дает не однозначные предсказания, а лишь вероятностные.

Такова квантовая механика Дирака – рецепт для вычисления спектров переменных и рецепт для вычисления вероятности, с которой то или иное значение из этого спектра появится при взаимодействии. Вот и всё. Происходящее от одного взаимодействия до другого в теории не упоминается. Его просто не существует.

Вероятность обнаружить электрон или любую другую частицу в той или иной точке можно представлять себе как диффузное облако, которое плотнее там, где вероятность увидеть частицу выше. Иногда полезно визуализировать такое облако, как если бы оно было реальной вещью. Например, облако, которое представляет электрон, находящийся внутри ядра, указывает, где электрон с большей вероятностью появится, если мы будем за ним следить. Возможно, вы встречались с этими изображениями в школе – это так называемые атомные орбитали[74].

Теория вскоре продемонстрировала свою экстраординарную эффективность. Если сегодня мы создаем компьютеры, располагаем высокоразвитой молекулярной химией и биологией, лазерами и полупроводниками, то всё это благодаря квантовой механике. Несколько десятилетий подряд у физиков словно каждый день было Рождество: все новые и новые задачи получали ответы, вытекающие из уравнений квантовой механики, и всякий раз это были правильные ответы. Достаточно привести один пример.

Окружающая нас материя состоит из тысяч различных веществ. В течение XIX–XX веков химики поняли, что все эти вещества – лишь сочетание относительно небольшого числа (менее сотни) простых элементов: водорода, гелия, кислорода и так далее, до урана. Менделеев упорядочил все элементы (согласно их весу) в знаменитой периодической таблице, висящей на стене во многих школьных классах. Она кратко характеризует свойства элементов, из которых состоит мир не только на Земле, но и во всех галактиках Вселенной. Почему именно эти конкретные элементы? Чем объясняется периодическая структура этой таблицы? Почему каждый элемент имеет именно такие свойства, а не другие? Почему, например, некоторые элементы легко соединяются между собой, а другие нет? В чем секрет своеобразной структуры таблицы Менделеева?

Рис. 4.5. Свет – это волны поля, но он также имеет и зернистую структуру

Ну что ж, возьмем уравнение квантовой механики, которое определяет форму электронных орбиталей. Это уравнение имеет определенный набор решений, и эти решения как раз соответствуют водороду, гелию, кислороду… и всем прочим элементам! Периодическая таблица Менделеева упорядочена в точном соответствии с набором этих решений. Свойства элементов и иные закономерности вытекают из решения этих уравнений. Квантовая механика блестяще расшифровывает секрет строения периодической таблицы элементов.