Если материя — волна, язвительно заметил один физик другому в конце проходившего в 1926 г. семинара, посвященного волнам де Бройля, то должно быть волновое уравнение, описывающее волну материи. Физик, которому принадлежало это замечание, сразу же забыл о нем, но тот, кто его услышал, — Эрвин Шрёдингер — в дальнейшем открыл волновое уравнение для материи, теперь известное как уравнение Шредингера. Оно является краеугольным камнем, заменившим в новой физике законы Ньютона. Уравнение Шрёдингера используется для предсказания всех удивительных качеств субмикроскопических объектов, обнаруживаемых в наших лабораторных экспериментах. Вернер Гейзенберг открыл это же самое уравнение еще раньше, но в менее четкой математической форме. Математический формализм, выросший из работ Шрёдингера и Гейзенберга, называется квантовой механикой.
Предложенная де Бройлем и Шрёдингером идея волны материи порождает удивительную картину атома. Она объясняет простыми терминами три самых важных свойства атомов: их устойчивость, их тождественность друг другу и их способность восстанавливаться. Я уже объяснял, как возникает устойчивость, — это был великий вклад Бора. Тождественность атомов определенного вида — это просто следствие тождественности волновых паттернов в ограниченном пространстве; структура стационарных паттернов определяется тем, каким образом ограничивается движение электронов, а не их окружением. Музыка атома, его волновой паттерн, остается одной и той же, независимо от того, где он находится — на Земле или в туманности Андромеды. Более того, стационарный паттерн, зависящий только от условий своего ограничения, не имеет никаких следов прошлой истории, никакой памяти; он снова и снова восстанавливается в том же самом виде.
Волны электронов не похожи на обычные волны. Даже в эксперименте по дифракции индивидуальные электроны обнаруживаются на фотографической пластинке как локализованные индивидуальные события; только наблюдая паттерн, создаваемый всем пучком электронов, мы обнаруживаем свидетельство их волновой природы — дифракционную картину. Волны электронов — это волны вероятности, говорил физик Макс Борн. Они дают нам вероятности: например, мы, весьма вероятно, обнаружим частицу там, где волновые возмущения (или амплитуды) велики. Если вероятность нахождения частицы мала, амплитуда волны будет слабой. Представьте себе, что вы наблюдаете уличное движение с вертолета, висящего над улицами Лос-Анджелеса. Если бы автомобили описывались уравнением Шрёдингера, мы бы сказали, что волна сильна в местах транспортных пробок, а между пробками волна слаба.
Кроме того, волны электронов принято представлять как
Рис. 8.
Рис. 9.
Вероятность порождает неопределенность. Для электрона или любого другого квантового объекта мы можем говорить только о вероятности его нахождения в таком-то и таком-то месте, либо о том, что его импульс (произведение массы на скорость) равен тому-то и тому-то, но эти вероятности образуют распределение, описываемое колоколообразной кривой. Вероятность будет максимальной для некоторого значения положения, и это будет наиболее вероятное местонахождение электрона. Однако будет целая область положений, в которых есть значительные шансы обнаружить электрон. Ширина этой области соответствует неопределенности положения электрона. Такие же доводы позволяют нам говорить о неопределенности импульса электрона.
Исходя из подобных соображений, Гейзенберг математически доказал, что произведение неопределенностей положения и импульса электрона больше или равно определенному малому числу, называемому постоянной Планка. Это число, первоначально открытое Планком, устанавливает количественный масштаб, в котором квантовые эффекты становятся применимо большими. Если бы постоянная Планка не была такой малой, эффекты квантовой неопределенности вторгались бы даже в нашу повседневную макроскопическую реальность.
В классической физике любое движение определяется силами, которые им управляют. Коль скоро мы знаем начальные условия (положение и импульс объекта в некоторый начальный момент времени), мы можем вычислить его точную траекторию, используя уравнения движения Ньютона. Поэтому классическая физика ведет к философии детерминизма — идее возможности полного предсказания движения всех материальных объектов.
Принцип неопределенности подрывает философию детерминизма. Согласно принципу неопределенности, мы не можем одновременно точно определить положение и скорость (или импульс) электрона; любая попытка точного измерения одного делает неопределенным знание другого. Поэтому никогда нельзя точно определить начальные условия для вычисления траектории частицы, и понятие четко определенной траектории частицы становится непригодным.
По той же причине орбиты Бора не дают строгого описания местонахождения электрона: положение действительных орбит неопределенно. Мы действительно не можем говорить, что электрон, находящийся на том или ином энергетическом уровне, располагается на таком-то и таком-то удалении от ядра.
Рассмотрим несколько фантастических сценариев, авторы которых не осознавали значение принципа неопределенности или забывали о нем.
В научно-фантастической книге «Фантастическое путешествие» и снятом по ней фильме объектам придавали миниатюрные размеры путем уплотнения. Задумывались ли вы когда-либо о том, можно ли сжимать атомы? В конце концов, они, по большей части, состоят из пустого пространства. Возможно ли такое? Решите это сами, исходя из принципа неопределенности. Размер атома дает примерное представление о степени неопределенности положения его электронов. Уплотнение атома будет помещать его электроны в меньший объем пространства, тем самым снижая неопределенность их положения; но неопределенность их импульса должна возрастать. Увеличение неопределенности импульса электрона означает увеличение его скорости. Таким образом, в результате уплотнения скорость электронов возрастает и они более способны покидать атом[9].
В еще одном примере научной фантастики капитан Кирк (из классического телесериала «Звездный путь») дает команду: пуск! На приборной панели нажимают кнопку: оп-ля, люди, стоящие, на платформе исчезают, появляясь в месте назначения, которое, как предполагается, представляет собой неисследованную планету, но выглядит очень похоже на съемочный павильон в Голливуде. В одном из своих романов, основанном на сериале «Звездный путь», Джеймс Блиш попытался охарактеризовать этот процесс как квантовый скачок. Подобно тому как электрон перескакивает с одной атомной орбиты на другую, не пересекая промежуточное пространство, то же самое происходило бы и с командой космического корабля «Энтерпрайз». Вы можете видеть, в чем здесь проблема. То, когда и куда электрон совершит скачок, не подчиняется закону причинности и непредсказуемо вследствие законов вероятности и неопределенности квантового скачка. Подобный квантовый транспорт заставлял бы героев «Энтерпрайза»,
