Вселенная. Происхождение жизни, смысл нашего существования и огромный космос

Ладно. Электроны не вращаются вокруг атомного ядра подобно планетам, как это происходило бы по законам классической механики. По какой-то причине они держатся на конкретных орбитах, имеющих фиксированные энергетические уровни. Кажется, что это исключительно важный факт, явно не совместимый с ньютоновской картиной мира, глубоко укоренившейся в структуре физики. Однако данные должны всегда превалировать над ожиданиями: если требуется вообразить электроны, движущиеся по фиксированным орбитам, чтобы объяснить стабильность столов и прочих объектов, состоящих из атомов, — давайте так это и представим.

Следующий вопрос: что заставляет электрон перепрыгивать с одной допустимой орбиты на другую? Когда это происходит? Как электрон узнаёт, что пришло время прыгать? Содержит ли состояние электрона какую-либо информацию, кроме того, на какой орбите он находится?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, понадобились немалый гений и масса упорного труда. Физикам пришлось отказаться от так называемого состояния физической системы — полного описания той ситуации, в которой она сейчас находится, — и заменить эту категорию чем-то совершенно другим. Хуже того, пришлось переизобретать даже такую идею, которая казалась совершенно очевидной: речь о концепции измерения или наблюдения.

Все мы думали, что знаем значения этих терминов, но классическая механика не связывает с ними ничего особенного. Можно измерить любые свойства системы с той точностью, которая нас интересует, — как минимум, в принципе. В квантовой механике всё иначе. Во-первых, в ходе конкретного эксперимента мы можем измерить лишь некоторые вещи. Так, например, мы можем определить либо положение частицы, либо её скорость, но не можем определить её положение и скорость одновременно. Выполняя такие измерения, мы можем получить лишь определённые результаты в зависимости от физических условий. Например, когда мы определяем положение электрона, он может быть где угодно; но если мы измерим энергию электрона, когда он вращается вокруг ядра, то можем получить лишь некоторые дискретные значения. (Именно так появилось слово «квантовый», поскольку на заре этой дисциплины физики крайне интересовались тем, как электроны ведут себя в атомах; но не у всех показателей, доступных для наблюдения, возможны лишь дискретные значения, поэтому такое название несколько неудачно.)

В классической механике, если вы знаете состояние системы, то можно с уверенностью спрогнозировать, каков будет результат любого измерения. В квантовой механике состояние системы является суперпозицией всех возможных результатов измерений и эта сумма называется «волновой функцией» системы. Волновая функция — это комбинация всех результатов, которые вы можете получить при наблюдении, но «вес» каждой из возможностей различается. Например, состояние электрона в атоме будет суперпозицией всех допустимых орбит с фиксированными энергиями. Суперпозиция, представляющая собой заданное квантовое состояние, может значительно тяготеть к одному конкретному результату: электрон можно практически безошибочно локализовать на орбите с определённым энергетическим уровнем. Однако, в принципе, квантовое состояние может включать любой возможный результат измерения.

Квантовая механика радикально отличается от классической, так как результаты экспериментов в ней не поддаются точному прогнозированию, даже если мы досконально знаем состояние системы. Квантовая механика сообщает нам, с какой вероятностью при наблюдении системы с заданной волновой функцией мы получим каждый отдельно взятый результат. Абсолютная точность прогнозирования недостижима не потому, что мы чего-то не знаем о системе; просто это максимум, что позволяет нам квантовая механика.