Можливо, найдивніше у квантовому світі те, що поняття об'єкта розпадається на частини. За межами світу молекул, атомів і елементарних частинок ми маємо дуже чітке уявлення про об'єкт як про річ, яку ми можемо споглядати.
Це твердження справедливе до дверей, автомобіля, планети і піщинки. Якщо перейти до дрібніших "речей", то ця концепція, як і раніше, може бути застосована до клітини, вірусу і такої великої біомолекули, як ДНК.
Але саме тут, на рівні молекул і відстаней, менших за мільярдну частку метра або близько того, починаються проблеми.
Якщо ми продовжимо рухатися до дедалі менших і менших відстаней, запитуючи себе, що являють собою об'єкти, які нас оточують, у справу вступить квантова фізика. "Речі" стають нечіткими, їхні форми неясними, а межі невизначеними.
Об'єкти випаровуються в хмари; вони невловимі у своїх обрисах, як і слова для їхнього опису.
Ми все ще можемо думати про кристали як про атоми, розташовані в певному схематичному порядку - на кшталт усім знайомої кухонної солі, що складається з кубічної решітки атомів натрію і хлору.
Але варто зануритися в самі атоми, прості картинки перетворюються на пух і прах.
Розчарування Шредінгера
Німецький фізик Вернер Гейзенберг пояснив цю неясність вродженою властивістю матерії, яку він описав за допомогою принципу невизначеності.
Він свідчить, що ми не можемо визначити положення об'єкта з довільною точністю. Що більше ми намагаємося з'ясувати, де він перебуває, то невловимішим він стає, оскільки невизначеність його руху-траєкторії-швидкості зростає.
Такий ефект незначний для великих об'єктів, - людини, піщинки або навіть великої біомолекули. Але він стає вирішальним, коли ми розглядаємо дрібніші "предмети" - атоми або електрони.
Ми можемо з упевненістю сказати: "Так, моя ручка знаходиться тут, у цьому місці, на моєму столі".
Насправді навіть це твердження є приблизним, оскільки все коливається. Але це коливання настільки мізерне, що ми нехтуємо ним. Але воно детермінує поведінку електрона, протона чи фотона.
Така неясність стала страшним ударом для багатьох архітекторів квантової фізики, включно з Ервіном Шредінгером, Альбертом Ейнштейном, Максом Планком і Луї де Бройлем.
Блискучі фізики були апологетами "старих" квантових поглядів. Вони щосили намагалися повернути класичні уявлення про детермінізм у зруйновану картину світу.
Однак електрони перескакують з однієї орбіти на іншу. Вони = не маленькі кульки, що рухаються навколо атомного ядра, як Місяць навколо Землі. Це хмари ймовірності. Нова квантова механіка передбачає речі, але не визначає їх.
Розчарування Шредінгера вилилося в сварку, коли він відвідав Нільса Бора в Копенгагені.
Шредінгер тоді заявив: якщо ми будемо змушені миритися з цими чортовими квантовими переходами, то я шкодую, що взагалі мав стосунок до квантової теорії.
Бор: ваша хвильова механіка в її математичній ясності та простоті є гігантським прогресом порівняно з попередніми формами квантової механіки.
Розчарування Шредінгера призвело до нервового зриву. І хоча дружина Нільса виявила деяке співчуття до Ервіна, поки він відновлювався, професор Бор залишився непохитним. Він продовжував бомбардувати ослабілого німця аргументами на користь реальності квантових переходів.
Датчанин і його учні перемогли. Затишне, конкретне поняття об'єкта зникло. Зміцнилася нечіткість квантового об'єкта, хоча воно явно спиралося на низку парадоксальних висловлювань.
Квантовий об'єкт тепер вважається об'єктом тільки в тому разі, коли спостерігачі "просять" його бути таким. Радикальні мислителі, як, наприклад, Паскуаль Джордан, взагалі стверджували, що квантові речі існують тільки тоді, коли ми взаємодіємо з ними.
Значення рівняння Шредінгера
Цинік може відкинути все і не втрачати час. "Яка різниця? Важливо те, що ми спостерігаємо в лабораторії, а не те, що щось "є", - кажуть вони. - "Фізика - це дані, а не метафізичні домисли".
Наш цинік має рацію. Якщо вам важливі тільки дані, то не має значення, що відбувається з електроном до того, як його виявить прилад.
Квантова математика працює неймовірно добре як машина прогнозів, ґрунтуючись на числових даних. Вона не дасть вам впевненості, але вона надасть надійні ймовірнісні передбачення.
Причина загадки полягає в тому, що центральне рівняння квантової механіки, рівняння Шредінгера, відрізняється від звичайних рівнянь класичної фізики.
Коли ви захочете обчислити шлях, який пройде камінь під час кидка, ви використовуйте рівняння Ньютона. Воно описує, як змінюється його положення в часі - від початкової до кінцевої точки спокою. Можна було б очікувати, що рівняння руху електрона також описує зміну його положення в часі. Але це далеко не так.
Насправді, в рівнянні Шредінгера взагалі немає електрона. Замість нього є хвильова функція електрона. Це квантовий об'єкт, який містить у собі неясність. Вона навіть не має значення.
От що має сенс, то це її квадратичне значення - абсолютне значення, оскільки є складною функцією. Таке значення визначає ймовірність того, що електрон може опинитися в тому чи іншому положенні в просторі, коли буде виявлений.
Хвильова функція являє собою суперпозицію можливостей. У ній присутні всі ймовірнісні шляхи, що ведуть до різних результатів. Але щойно проводиться вимірювання, переважає тільки одне положення.
Квантова суперпозиція
У цьому й полягає суть квантової суперпозиції: вона містить усі можливі результати, кожен з яких з певною ймовірністю реалізується під час вимірювання. Саме тому фізики кажуть, що електрон перебуває "ніде" до того, як його виміряють. Не існує рівняння, яке могло б вказати точне місце розташування.
До вимірювання він перебуває скрізь, де тільки може бути, з огляду на обмеження ситуації - такі чинники, як сили, що взаємодіють із ним, і кількість вимірів, у яких він рухається. Квантова механіка розповідає історію, яка має тільки початок і кінець. Усе, що знаходиться в середині сюжету, розмите.
Питання в тому, що з цим робити. Ми можемо зайняти позицію циніка і прийняти прагматичний підхід, згідно з яким усе, що нас хвилює, - це результат вимірювань.
Багатьох фізиків це влаштовує. Але якщо ви вірите, що наука повинна глибше проникати в природу реальності, ви захочете дізнатися більше.
Ви захочете переконатися, що за квантовомеханічними ймовірностями не ховається жодної таємниці. Ви захочете проникнути глибше, сподіваючись знайти приховане джерело квантової нечіткості, причину очевидної втрати детермінізму.
Саме цього хотіли Ейнштейн, Шредінгер, де Бройль і пізніше Девід Бом. Ставки були високі - з'ясувати справжню сутність реальності.
Але Бор, Гейзенберг, Джордан, Паулі та інші нав'язали фізиці дивну природу квантів. Почалася боротьба між двома світоглядами. Вона триває і сьогодні.
Джерело: Big Think
