Вся физика в 15 уравнениях

Вам наверняка встречались задачи «с подковыркой», которые часто встречаются в научно-популярных журналах или на олимпиадах для школьников. Цель их состоит в том, чтобы повысить уровень интуитивного понимания проблемы читателями, задав им, казалось бы, простой и однозначный вопрос. Например, такой: в бассейне плавает лодка с человеком и тяжелым, плотным камнем на борту. Уровень воды в бассейне при этом известен и отмечен. Человек бросает камень в бассейн. После того как разойдутся круги на воде, снова измеряется уровень воды в бассейне. Повысится или понизится этот уровень по сравнению с тем, что был до того, как бросили камень^[34]? Для физика такое упражнение кажется элементарным, но это не относится к его квантовому эквиваленту…

Я не специалист, чтобы разбираться во всех тонкостях квантовой механики, однако изучал ее достаточно глубоко. Мне постоянно приходится использовать основы данного раздела физики в своей повседневной работе с элементарными частицами. Однако если кто-либо из экспертов предложил бы мне аналогичный тест в его квантовой версии, я не был бы уверен в правильности ответа без проведения реальных вычислений. И это притом, что в связи с ежедневными занятиями моя жизнь частично проходит в квантовом мире. Однако данное знание зыбко и непрочно: сила интуиции, диктуемая нашими чувствами и повседневным опытом, непреодолима, а здравый смысл может быть каким угодно, только не квантовым!

Множество приложений

После первого квантового головокружения приходит озарение. В учебной аудитории мы узнаем решение уравнения Шредингера для электронов в атоме. Это немедленно открывает огромное пространство: мы вдруг понимаем механизм излучения или поглощения света атомами на определенных длинах волн. Сразу же становится видно, что свет, испускаемый нагретым атомным паром, содержит однозначную информацию, позволяющую определить его атомы, своего рода портрет или отпечаток пальца, если угодно^[35]. Теперь можно определить химический состав вещества на расстоянии, в лаборатории или на далеких звездах. Еще один результат: эффект Доплера позволяет измерить скорость этого атома относительно нас, даже если атом находится на другом конце Вселенной.

Затем начинаются бесчисленные практические приложения, физика твердого тела, полупроводники, транзисторы, электроника, необычайное развитие микроэлектроники, которая теперь упаковывает в смартфон компьютер более мощный, чем суперкомпьютер 1970-х гг.

Все это практично, надежно, полезно. Люди переговариваются друг с другом от континента к континенту, экраны информируют и развлекают, рынки идут вверх и вниз со скоростью света к лучшему и к худшему. В последнем случае скорее к худшему.

И все же великая квантовая механика с ее парадоксами все еще с нами! Большинство практически думающих физиков, застенчиво улыбаясь, отворачивается, в то время как другие задумывают и проводят чудесные эксперименты, чтобы понять, действительно ли квантовая механика работает именно так, как мы себе представляем. И результатом таких экспериментов почти всегда, от раза к разу, является положительное «да». Шредингер был прав: мы не можем доверять нашим чувствам. И его кошка, действительно живая, показывает свою самую красивую улыбку, или ухмылку… настоящую улыбку кота^[36]…

Глава 11

Соотношение неопределенностей Гейзенберга

Эта формула представляет собой самое сердце, самую сокровенную тайну квантовой механики. Смысл ее очень прост и в то же время абсолютно невероятен: само понятие об индивидуальности отдельных частиц, их положении, траекториях и скоростях становится сомнительным и неопределенным. Поэтому я постараюсь объяснить это более подробно. Не бойтесь, математика останется элементарной: всего лишь несколько умножений!

Вы сразу заметили, что обычный знак равенства (=) здесь заменен на знак «больше или равно» (>=). Поскольку это всего лишь неравенство, то данную формулу невозможно использовать непосредственно для вычисления параметров движения или энергии процесса.

Основа квантовой неопределенности

Это неравенство не является физическим законом в строгом смысле как некое правило получения одних величин через другие. Оно скорее описывает следствие законов, а в данном случае — квантовой механики. Предметом неравенства Гейзенберга является самая простая система, которую только можно себе представить: изолированный движущийся квантовый объект. В этом случае ?х — это погрешность измерения положения объекта на координатной оси, выраженная для примера в метрах. Погрешность — это неопределенность в измерении координаты объекта, численно равная размеру интервала, в котором этот объект гарантированно может быть обнаружен. Например, ?х = 1 мм означает, что положение частицы известно с точностью до 1 мм. Символом p_x обозначается импульс частицы, который равен произведению массы на скорость^[37]:

p_x = mv_x.