Как физики пришли к квантовой механике и почему в ней столько неопределенности? Рассказывает Евгений Иевлев
Начало XX века было особенно значимым для физиков. Законов классической механики оказалось недостаточно для того, чтобы описывать частицы и знания о них. Шаг за шагом ученые разрабатывали новую область науки — квантовую механику. Какие гипотезы этому способствовали, почему нельзя точно замерить координаты и скорость частицы и для каких задач не нужна квантовая механика — объясняет физик Евгений Альбертович Иевлев, доцент базовой кафедры «НИЦ Курчатовский институт — ПИЯФ» в Питерской Вышке.
— С чего началось движение науки в сторону квантовой механики?
— Нельзя сказать, что все ученые одномоментно начали пользоваться новой физикой. Научный прорыв растянулся на 30 лет. Он привел к тому, что появились теория относительности и квантовая механика.
Все началось с гипотезы о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Это такое классическое представление о том, что частицы могут перемещаться в пространстве под какими-то координатами и вращаться под определенным углом, и по всем этим показателям энергия распределяется одинаково. И хотя долгое время данная гипотеза только подтверждалась, четкого обоснования этого не было.
Дальше оказалось, что в гипотезе о равномерном распределении энергии есть нестыковки. Это стало заметно на концепции абсолютно черного тела, которое поглощает любое излучение. Но тогда это тело должно было тоже что-то излучать, а иначе бы оно бесконечно нагревалось. Соответственно, должна быть формула, показывающая, сколько такое черное тело излучает на разных частотах. Однако гипотеза о равнораспределении приводила здесь к заведомо неправильному ответу.
Ученые пытались вывести новую формулу, которая бы связала между собой излучение и частоту. Это получилось у Макса Планка, который предположил, что свет поглощается какими-то маленькими «пакетами». Потом эти крошечные частицы стали называть фотонами, но сам Планк в тот момент не до конца понял, что именно он описал.
Гипотеза Планка получила развитие в статье Эйнштейна о фотоэффекте. Он предположил, что эти «пакеты» тоже можно рассматривать как частицы и что они могут иметь реальное воздействие. Экспериментально эти данные тоже подтверждались.
— Что было после гипотезы Планка и теории Эйнштейна о фотоэффекте?
— Эрнест Резерфорд поставил эксперимент и понял, как выглядит атом и каким образом он двигается. Дальше нужно было строить модель атома, описывать ее формулами, и тут ученые снова наткнулись на проблему. Если применить классические подходы к атому, то выходило, что у него должно быть непрерывное электромагнитное излучение. Это бы значило, что атом живет крошечную долю секунды, а это неверно.
Потом в научную дискуссию включился Нильс Бор. Он выдвинул гипотезу о том, что электроны могут излучать энергию только маленькими «пакетами», но есть значение, ниже которого электрон не способен ничего излучать. Это предположение согласовывалось с экспериментами, но объясняло мало. Было непонятно, когда стоит пользоваться классической физикой, а когда — вводить новые постулаты.
— До квантовой теории ученые представляли излучение как волну. Что было не так с этим мнением?
— В классической физике это представление работало очень хорошо. Оно объясняло, как распространяется звук, почему тела нагреваются и остывают. Но с гипотезой Планка появился первый намек на то, что электромагнитное излучение тоже может быть частицами. Вот тут-то и возникла нестыковка: ведь опыты по-прежнему подтверждали волновую природу излучения, и они оставались верными.
Начались споры между учеными. Одни топили за то, что свет — волна, другие за то, что свет — частица, и все они не очень прислушивались друг к другу. Но экспериментальные данные, подтверждающие то одну, то другую гипотезу, постепенно накапливались, и в конце концов физики просто смирились с тем, что все частицы и волны — это и частицы, и волны одновременно.
В каком-то смысле прорывными оказались работы Луи де Бройля. Он задумался, почему электроны ведут себя и как волны, и как частицы. Ученый пришел к выводу, что электрон представляет из себя сгусток в пространстве без четких границ. В одних экспериментах он проявляет свойства частиц, а в других в первую очередь заметны волновые свойства.
— Как нам узнать что-то про частицу в квантовой механике?
— В классической механике частицу принято воспринимать как бильярдный шарик. В любой момент времени можно выяснить, какая у нее координата или скорость. В квантовой механике все намного сложнее.
Допустим, в вакууме летит электрон, и вам захотелось посмотреть, где он находится. Тогда вам нужно будет ударить по нему фотоном. Когда тот отскочит, вы сможете измерить координаты электрона. Но при этом когда на электрон что-то подействовало, его скорость изменилась, а насколько — не очень понятно. Это значит, что если вы с точностью измерили одну величину, то другая получится с большой погрешностью. Более того: если вам нужно что-то посчитать, то нужно помнить, что вы изменили систему, и замеры других величин будут неточными. В физике это называется принципом неопределенности Гейзенберга.
Однако ученым все еще было не до конца понятно, почему точные замеры невозможны. Мысленный эксперимент Шредингера про кота был попыткой объяснить, что если не воздействовать на систему, то она сама по себе живет, просто про нее немногое известно. А вот если заглянуть внутрь, то можно замерить одни показатели, пока другие изменятся. Единственное, на мой взгляд, Шредингер погорячился, потому что кот — это не один электрон, он состоит из большого числа частиц, и на этом уровне все квантовые эффекты смешиваются.
— Ученые знали про частицы мало, но и замерить про них толком тоже ничего нельзя. Как ученые с этим жили?
— Многие не могли этого принять. На физиков того времени и так навалилось слишком много всего: нужно было объяснять частицы, волны и все такое. Но главной сложностью было то, что для объяснения всех этих концепций использовались матрицы. Тогда это было новым словом в математике. Не как сейчас, когда они есть в программе каждой технической специальности.
Большой заслугой Шредингера было то, что он воспользовался языком дифференциальных уравнений. Классическая механика того времени была построена на них целиком и полностью. Это значит, физикам того времени было проще понять его описание. Когда уравнение Шредингера подтвердило выводы, к которым пришел Гейзенберг с помощью матриц, ученые вздохнули с облегчением. И хотя физикам все еще было не до конца понятно, что происходит в квантовой механике, они выяснили, как получить цифры, которые уже можно сравнивать с экспериментальными данными.
— Как квантовая механика и классическая механика соотносятся между собой?
— Они вообще не противоречат друг другу: квантовая механика может объяснить задачи классической, просто она сложнее. Более того, формулы квантовой механики в какой-то момент переходят в формулы классической, это можно отследить математически. Просто у этих теорий разный круг задач, на которых их имеет смысл применять. Главное — отдавать себе отчет в том, что квантовые эффекты существуют. Но также нужно понимать, в каких случаях ими можно пренебречь.
Допустим, у нас есть задача о том, как столкнулись большие бильярдные шары. Если решать ее через квантовую механику, то она будет настолько сложной, что с ней вряд ли справится даже компьютер. Зато любой студент второго курса может решить ее за десять минут с помощью классической механики.
— Какие вопросы в квантовой механике вам сейчас кажутся наиболее актуальными?
— Их сейчас не так много. Сейчас ученые скорее ищут технические применения всем этим теориям. Самые горячие вопросы — о квантовых компьютерах и квантовой передаче информации.
Главным отличием квантового компьютера было бы кодирование. Обычный компьютер хранит информацию в битах, которые могут быть либо нулями, либо единицами. Но если использовать свойства квантовой механики, то бит смог бы принимать оба значения одновременно.
Квантовое кодирование информации строится вокруг идеи о том, что нужно влезть в систему, чтобы что-то в ней изменить. Предположим, какое-то сообщение закодировали квантовым образом. Если его прочитал кто-то, кому оно не предназначалось, система это покажет. Просто потому что все изменения в ней будут видны. Такое кодирование не защитит от хакеров, но зато оно точно позволит узнать, подслушал ли кто-то ваше сообщение.
— Есть что-то такое в квантовой механике, что лично вы не можете себе представить?
— Знаменитый физик Ричард Фейнман как-то сказал: «Я думаю, что могу смело утверждать: квантовую механику не понимает никто». И ведь правда: можно изучить ее математический аппарат, эксперименты про волны и частицы, но осознать все это практически невозможно. Наше восприятие сложилось иначе: люди ничего не знали про квантовый мир, да и обнаружили его косвенно — с помощью формул и приборов. Остается только смириться с новыми знаниями.
Сам я уже 12 лет занимаюсь наукой. В начале моего пути многое в квантовой механике было для меня непонятным и даже противоестественным. Но когда вы долго в этом варитесь, то мышление слегка перестраивается. Оно отходит от житейских понятий в сторону более абстрактных. Для меня в каком-то смысле существуют два мира: тот, в котором я живу, и тот, в котором я занимаюсь научной работой. Для меня они друг с другом связаны очень косвенно. Я никогда не увижу все эти частицы, но знаю, что они есть. Мне уже привычно работать с ними.
Евгений Альбертович Иевлев преподает квантовую механику для студентов Департамента физики. Подробнее о бакалаврской программе «Физика» можно прочесть на сайте.
Иевлев Евгений Альбертович
Базовая кафедра «НИЦ Курчатовский институт – ПИЯФ»: Доцент