Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Истоки квантовой механики

Американский ученый и нобелевский лауреат Ричард Фейнман утверждал, что квантовую механику никто не понимает. Однако с момента зарождения в начале XIX века она прошла огромный путь и привела к целому ряду значимых открытий, подарив миру атомную энергетику, транзисторы, сверхпроводники и лазеры. Почему классическая механика перестала подходить для описания мира и как споры ученых мужей двигали вперед квантовую механику, ПостНауке рассказал физик Алексей Кавокин.Это материал изгида Квантовая механика. Партнер гида АкадемияРосатома.На пороге открытия квантового мираВ конце XIX века физика считалась полностью самосогласованной и завершенной наукой. Казалось, что механика Ньютона, статистика Больцмана и электродинамика Максвелла способны объяснить любое явление природы, и в целом можно считать, что научная мысль достигла своего апогея. Оставались неразрешенными некоторые парадоксы, например ультрафиолетовая катастрофа. Согласно классической физике, плотность энергии, излучаемой абсолютно черным телом,1 должна возрастать неограниченно с уменьшением длины волны излучения, что нарушает законы сохранения энергии. Проблему решил Макс Планк1 в 1900 году, предположив, что электромагнитное излучение может испускаться или поглощаться только дискретными порциями, называемыми квантами.2Энергия кванта обратно пропорциональна длине волны, а вероятность излучения на данной длине волны зависит от соответствующей энергии кванта.Модель сочли чисто математической и никаких подрывов устоев в этом на тот момент не усмотрели.Однако с развитием технологий ученые продвинулись в экспериментальном исследовании атома, и тогда возникли более серьезные парадоксы. Так, экспериментальное открытие электронов Джозефом Томсоном1 вызвало волну интереса к устройству внутриатомного мира. Эрнест Резерфорд,2проводя опыты по рассеянию частиц, выдвинул свою планетарную модель атома,3согласно которой электроны вращаются вокруг положительно заряженного атомного ядра, подобно планетам, вращающимся вокруг звезды.При применении подобной модели в рамках классической механики возник новый парадокс. Согласно ньютоновской механике и теории Максвелла, движение электрического заряда с ускорением (а оно обязательно возникает при движении по окружности) неминуемо приводит к излучению электромагнитных волн. Это то, что происходит в любой антенне, мобильнике, микроволновке. А излучение всегда энергозатратно, из-за чего теряющие энергию электроны непременно должны упасть на ядра своих атомов.Среди множества попыток решить этот парадокс наиболее успешным оказался способ, предложенный Нильсом Бором.4До него никто не мог объяснить, почему электроны движутся по фиксированным орбитам, не излучая. Бор же просто постулировал, что это так, то есть применил чисто феноменологический подход. Это еще была не квантовая механика, но уже некий толчок к ее возникновению. Потому что при всей своей нелепости и несовместимости с классической физикой модель Бора объясняла эксперименты по рассеянию частиц на атомном ядре. Она неожиданно гармонично согласовывалась с результатами опытов.Так был сформирован вызов великим умам того времени. Сложившаяся на тот момент масштабная, прекрасная, совершенная физика с ньютоновской механикой, которая объясняет движение планет, с придуманным специально для этого математическим аппаратом теорией дифференциальных уравнений, а также четырьмя уравнениями Максвелла и гениальной статистической физикой Больцмана перестала быть такой незыблемой и надежной. Нильс Бор своими парадоксальными идеями поставил под вопрос постулаты, в фундаментальности которых никто не смел сомневаться. Но накапливающиеся факты достигли критической массы, и стало ясно, что требуется пересмотреть устоявшиеся подходы в физике.Среди великих умов, принявших этот вызов, был Альберт Эйнштейн. Будучи по своей природе бунтарем, Эйнштейн не побоялся принять участие в радикальном пересмотре существующей парадигмы. Вооружившись формулой Планка, он объяснил существование красной границы фотоэффекта.5 Такой подход противоречил уравнениям Максвелла, но теоретическое предсказание согласовывалось с опытами, и благодаря этой модели были открыты кванты света фотоны.Планк, Бор и Эйнштейн стояли у истоков зарождения квантовой физики, но своим появлением на свет она обязана их ученикам.Войны теоретиковДвадцатые годы прошлого века являются ярким примером периода в истории науки, когда теория не поспевала за экспериментами. Опыт Юнга с двумя щелями неоднократно проводился для света и поверхности жидкости, и получаемая интерференционная картина5 хорошо объяснялась классической оптикой и гидродинамикой. Большим шагом вперед стало получение подобных результатов для частиц. Эксперименты проводились с электронами, протонами, атомами, крупными молекулами; в ходе эксперимента их запускали потоком и по одному, но всегда выходило, что даже одиночная частица ведет себя как волна, проходящая одновременно через две щели. Это сподвигло Луи де Бройля6 в 1923 году выдвинуть гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он предположил, что грань между светом и материей условна. И то и другое можно рассматривать как волны и как частицы.
Под влиянием идеи де Бройля Эрвин Шрёдингер записал свое знаменитое волновое уравнение. Уравнение Шрёдингера детерминированно6 описывает эволюцию волновой функции, квадрат модуля которой задает вероятность найти квантовый объект в определенном состоянии. Параллельно Гейзенберг7 разработал свою матричную трактовку квантовой механики. Во многом она сложнее представления Шрёдингера, но в конкретных задачах дает преимущества, например в квантовой оптике и кристаллографии. Интересной особенностью подхода Гейзенберга, описывающего физические величины матрицами-операторами, является некоммутативность7 некоторых из этих операторов, что выливается в принцип неопределенности. Согласно этому принципу, некоторые величины, например скорость и координата частицы, принципиально не могут быть измерены одновременно. К примеру, чем точнее экспериментатор определяет координату частицы, тем меньше он будет знать о скорости, и наоборот.Математические аппараты, легшие в основу двух подходов к квантовой механике, вполне совместимы друг с другом. В то же время с философских позиций трактовка каждого подхода оказалась сложной задачей. Шрёдингер, будучи материалистом, пытался описывать волновую функцию как статистический объект. Он разделял позицию Эйнштейна и таких приверженцев материалистической философии, как КарлМаркс, ФридрихЭнгельс иВладимирЛенин. Он полагал, что материя это объективная реальность, данная нам в ощущениях. Она развивается по неким еще не открытым детерминированным законам, а его уравнение работает лишь с вероятностями. Фактически оно позволяло обосновать выводы Бора в строгой математической форме, при этом ничего не говоря о реальности, стоящей за волновой функцией и ее эволюцией. Гейзенберг же вместе со своим научным руководителем Нильсом Бором отстаивал противоположную точку зрения. Интерпретация квантовой механики Гейзенбергом и Бором получила название копенгагенской по имени города, где в те годы работали оба физика.Копенгагенская интерпретацияНа Сольвеевском конгрессе 1927 года была сформулирована так называемая копенгагенская интерпретация квантовой механики. Каждый физик воспринимал новую теорию по-своему, но в целом ортодоксальный подход отличается несколькими ключевыми пунктами.
Во-первых, с подачи Бора и Гейзенберга принцип неопределенности следует трактовать буквально, с позиций субъективного идеализма, согласно которому у материи нет никаких свойств ровно до тех пор, пока ее этими свойствами не наделит наблюдатель. Можно также сказать, что материя имеет все свойства одновременно, то есть находится в состоянии суперпозиции. То есть, пока не произошло измерения, частица будет одновременно во многих местах (область ее локализации ограничивает лишь волновая функция). А измерение производит конкретный человек, и именно он своим осознанным вмешательством заставляет материю принимать конкретное состояние. И здесь напрашиваются выводы, в корне несовместимые с повседневными представлениями: нет никакой объективной реальности, которая существовала бы вне зависимости от нас. Материя возникает лишь в пределах нашего восприятия. Такой подход называется субъективным идеализмом. Объективный идеализм подразумевает веру в некоего создателя, а субъективный идеализм и его радикальное проявление, солипсизм, куда категоричнее: они утверждают, что мир создаем мы силой разума и он существует в тех пределах, которые ставит разум наблюдателя.Мысль, что человек определяет реальность на фундаментальном уровне, получила довольно обширное распространение в том числе благодаря склонности некоторых знаменитых теоретиков к солипсизму. В частности, подобных взглядов придерживались Вольфганг Паули, Юджин Вигнер и Джон Уилер. В дальнейшем, по мере совершенствования технологий экспериментов и накопления знаний в антропологии и теории сознания, роль наблюдателя свелась именно к воздействию на квантовую систему классической измерительной установкой. Антропоцентризм находил и своих противников: например, Джон Белл критиковал его в своей статье Против 'Измерения':Казалось бы, теория озабочена исключительно результатами измерений и не говорит ни о чем другом. Что именно позволяет некоторым физическим системам играть роль измерителя? Может быть, волновая функция мира ждала схлопывания в течение тысяч миллионов лет, пока не появится одноклеточное живое существо? Или же ему придется подождать немного дольше, чтобы получить более квалифицированную систему... с докторской степенью? Если эта теория применима к чему-либо, кроме высоко идеализированных лабораторных операций, разве мы не обязаны признать, что более или менее измерительные процессы происходят более или менее постоянно, более или менее повсеместно? Разве мы не схлопываемся тогда все время? Первое обвинение против измерения, содержащееся в фундаментальных аксиомах квантовой механики, состоит в том, что оно закрепляет там изменчивое разделение мира на систему и аппарат.Во-вторых, согласно копенгагенской интерпретации, волновая функция дает исчерпывающее описание квантовой системы. Это значит, что квантовая механика наиболее общая и самосогласованная теория, конечная точка развития физики, а все последующие теории непременно будут построены с ее участием. Но волновая функция подчиняется уравнению Шрёдингера, которое ничего не говорит об измерении. Для решения этой проблемы был постулирован феномен коллапса волновой функции. То есть квантовая система имеет все возможные состояния (находится в суперпозиции) и подчиняется уравнению Шрёдингера. Затем, когда происходит измерение, волновая функция схлопывается, принимая некоторое конкретное, но абсолютно случайное значение из разрушившейся суперпозиции.Эрвина Шрёдингера, однако, не устраивали утверждение о реальности суперпозиции и введение понятия коллапса, что он попытался отразить в своем знаменитом мысленном эксперименте, описанном в статье 1953 года.С точки зрения солипсизма кот и жив, и мертв, но при открытии коробки экспериментатором происходит коллапс, и все содержимое обретает конкретное классическое состояние, проецируется на классический базис. Приверженец копенгагенского подхода добавит, что эксперимент применим только для нанокотов, а макрообъекты так себя вести не будут. И в зависимости от конкретной интерпретации трактовки будут разниться.Эйнштейн же выступал против существования объективной случайности, что и отразилось в крылатой фразе Бог не играет в кости. Он настаивал на том, что волновую функцию следует отождествлять со статистическими ансамблями и что вероятностным поведением управляют некоторые скрытые переменные. Он полагал, что еще предстоит открыть детерминистическую теорию, которая будет включать в себя квантовую механику в качестве удобной приближенной модели.История показала, что, хотя ключевые моменты копенгагенской интерпретации контринтуитивны, а то и кажутся абсурдными, научное сообщество в целом приняло их. Позднее появилась никакая интерпретация, которую Дэвид Мермин выразил фразой shut up and calculate. Такая позиция вполне оправдана, если считать, что главная ценность квантовой механики в ее математическом аппарате и для ее дальнейшего развития нужно совершенствовать эксперименты и методики вычислений, а также решать уравнение Шрёдингера или его модификации.Многомировая интерпретацияВ 1957 году Хью Эверетт предложил свою трактовку квантовой механики, которая в настоящее время набирает все большую популярность. Как и остальные интерпретации, она призвана решить проблему измерения, не используя понятие коллапса. Например, в мысленном эксперименте, предложенном Шрёдингера, не совсем понятно, в какой момент должно произойти разрушение суперпозиции. В определенный промежуток времени атом либо распадается, либо нет. После распада излучение попадает на детектор сложное устройство, состоящее из множества частиц. При взаимодействии с ними происходит декогеренция явление запутывания волновой функции с окружением. Во время этого процесса части волновой функции становятся изолированными друг от друга, как бы находясь в разных мирах. В этом и состоит суть многомировой интерпретации.То есть если мы верим, что квантовая физика это общая теория всего, то мы должны сказать, что Вселенная не коллапсирует, а все время распадается на такие запутанные состояния. Каждый раз, когда происходит квантовое измерение, Вселенная полностью расщепляется на состояние суперпозиции.В случае с котом Шрёдингера происходит последовательное запутывание радиоактивного элемента с детектором, и возникает два варианта вселенной: в одной кот жив, в другой мертв. И как только экспериментатор открывает коробку, он запутывается с котом и оказывается в соответствующей реальности, после чего запутывание распространяется со скоростью света по всей Вселенной.Многие миры никак не пересекаются и не взаимодействуют, поэтому на классическом уровне мы не в состоянии заметить суперпозицию. Исходя из конечности энтропии Вселенной, можно предположить, что число миров конечно. Но как бы много их ни было, это не будет означать, что возможно все что угодно, законы физики продолжают работать в любом случае. Во многом такая интерпретация интуитивно понятна, но ничего нового она не предсказывает, так что неясно, существует ли возможность ее экспериментального подтверждения.Квантовые революцииКак правило, к первой квантовой революции относят развитие квантовой механики до Второй мировой войны. Тогда были заложены ее основы, сформулированы модели Шрёдингера и Гейзенберга, появились объяснения структуры атома и некоторых других явлений, в частности оптических например, фотоэффекта и теории лазеров. Также были экспериментально обнаружены явления сверхпроводимости и сверхтекучести.В результате первой квантовой революции увидели свет величайшие и иногда ужасающие продукты человеческой мысли: ядерное и водородное оружие, атомные электростанции, технологии на основе лазеров и сверхпроводимости, транзисторы и все, что с ними связано (компьютеры, потребительская электроника, интернет и так далее). Этот успех распространился и на другие науки: появилась радиоастрономия и генетика,7стало возможным квантово-химическое моделирование и нанотехнологии, в обиход вошли точные методы медицинской диагностики, а палеонтология обзавелась обширным арсеналом методов датировки.У истоков этих технологий лежит моделирование на основе уравнения Шрёдингера. Его аналитические решения давно известны для таких тривиальных систем, как атом водорода, бесконечная потенциальная яма или туннельный эффект. Но при учете все большего числа частиц задача усложняется. И здесь подспорьем стали численные методы, выполняемые на компьютерах.С другой стороны, уже после Второй мировой войны, благодаря работам американского физика Ричарда Фейнмана,8стало понятно, что на гейзенберговской квантовой механике можно построить огромное множество интересных концепций то, что мы сейчас называем квантовыми технологиями. Сюда входят квантовый компьютер,квантовые коммуникации, квантовый радар и квантовая криптография. Это технология, которая еще не вошла в повседневную жизнь, но уже становится реальностью. Поэтому можно сказать, что сегодня мы стоим на пороге второй квантовой революции.Открытие квантовой механики стало научной революцией XX века. Ее законам подчиняется не только мир атомов и субатомных частиц, но и миры термодинамики, физики твердого тела и химии жизни. Квантовая механика развивается быстрыми темпами, а безупречная внутренняя математическая логика ее теории продолжает подтверждаться экспериментально. Высказывание нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана о том, что никто по-настоящему не понимает квантовую механику, сохраняет свою актуальность, но новое поколение ученых успешно использует открытия мэтров прошлого столетия, чтобы воплощать в жизнь квантовую телепортацию и другие технологии будущего.
ЛитератураМилантьев В.П. / История возникновения квантовой механики и развитие представлений об атоме / 2017Гейзенберг В., Шредингер Э., Дирак П. А. М. Современная квантовая механика. Три нобелевских доклада, 1934.А.И. Липкин / Основы физической теории / 2014Иванов М. Г. / Как понимать квантовую механику / 2012Ричард Фейнман / КЭД - странная теория света и вещества / 1988J. Bell / Against 'measurement'
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 16.12.2020 12:03:34
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru