Журнал «Вокруг Света» №12 за 2005 год

Но не все так просто. Ведь говорить о частицах внутри потенциальных ям несколько неверно из-за того же явления дуализма. Электроны в атомах, а также протоны и нейтроны в ядрах проявляют скорее волновые, нежели корпускулярные свойства. Квантовую частицу описывают с точки зрения плотности вероятности. В итоге частица оказывается большей частью внутри атома, но в то же время и «немного снаружи». Как нарисовать портрет такого объекта? Если в нашем мире мы можем начертить определенную траекторию футбольного мяча или пули, то движение квантовой частицы так представить в силу корпускулярно-волнового дуализма нельзя. Вспомним, что неотъемлемое свойство квантовых частиц — одновременно «находиться» в разных точках пространства.

Изобразить ее путь можно лишь с помощью пространственных, двух- и трехмерных графиков плотности вероятности, задаваемой волновой функцией, которая является решением уравнения Шредингера. Вычислив его на компьютере посредством алгоритмов (с определенными условиями и предположениями), мы можем нарисовать на экране, как будут выглядеть эти волны-частицы, например электроны в атомах. Одним цветом можно показать большие значения волновой функции, то есть места, где вероятность обнаружить частицу велика, а другим — области малых значений, где частицу застать вряд ли возможно. В результате получим своеобразные портреты волн-частиц. Компьютеры позволяют решить уравнение Шредингера для атомов, включающих большое количество электронов, нарисовать волновые картины существования в ядре протонов и нейтронов, моделировать взаимодействие электромагнитного излучения и вещества.

Конечно, нельзя быть уверенным, что эти портреты — реальные образы объектов микромира, ведь мы пока не до конца осознаем, как квантовая частица способна находиться одновременно в разных точках пространства. Речь идет, скорее, о визуализации результатов, поставляемых квантовой теорией. И они подтверждаются экспериментами. Например, сканирующий электронный микроскоп позволяет рассмотреть внешние электронные облака атомов. Но увидеть облака изнутри технически невозможно. Ученым доступно лишь их моделирование на компьютере.

Пока сложно с уверенностью сказать, такова ли на самом деле микроскопическая структура материи или она отличается от рисунков, полученных при моделировании, которое, в том или ином варианте, почти всегда опирается на уравнение Шредингера. Существование волны-частицы плохо укладывается в классическом воображении: мы можем только по отдельности представить себе либо траектории частиц, к примеру, электронов в поле, либо пространственное распределение волновой функции. Совместить эти теоретические представления в единый образ многие не в состоянии. Так что корпускулярно-волновой дуализм остается загадкой природы.

Как часто бывает в науке, новая теория лишь приближает нас к пониманию природного феномена, описывает его более точно. Если раньше от гипотезы атомаволны де Бройля можно было отмахнуться, как от некоего казуса, то после появления математического аппарата квантовой механики это стало невозможным. Однако уравнение Шредингера лишь констатирует факт дуализма, никоим образом не отвечая на вопрос: почему он наблюдается?

Да это оказалось и «ненужным», поскольку квантовая физика работает. Мы уже пользуемся нанотехнологиями. Не за горами создание квантового компьютера, работа которого основана на операциях не над дискретными числами (нулями и единицами), а над квантовыми объектами, которые могут одновременно находиться в нескольких состояниях.

Компьютерное моделирование позволяет нам хоть немного приблизиться к пониманию квантовых процессов, которые лежат в основе привычного для нас макромира.

Дмитрий Кирьянов, кандидат физико-математических наук

Иллюстрации Эрика Геллера

Ливерпульский ларец