Не так, как при бросании монеты

М. Файер. Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

 

Предисловие

 

Если вы читаете эту книгу, то, вероятно, относитесь к одной из двух категорий людей. Либо вы из числа моих коллег, посвящённых в тайны квантовой теории, и хотите посмотреть, как же кто-то смог написать серьёзную книгу по квантовой механике без математики. Либо вы принадлежите к тому большинству людей, кто смотрит на окружающий мир без ясного понимания того, почему многие повседневные вещи устроены именно так, а не иначе. При этом речь идёт далеко не о тех малозначительных аспектах нашей среды обитания, на которые можно было бы просто не обращать внимания. Напротив, это важные особенности нашего мира, которые никогда внятно не объясняются, поскольку кажется, что они лежат за пределами нашего понимания.

Что придаёт предметам их цвет, почему медный провод проводит электричество, а стекло нет, что же всё-таки такое транс-жиры и почему углекислота является парниковым газом, а кислород и азот — нет? Эти «белые пятна» в картине устройства вещей возникают вследствие кажущегося непреодолимым барьера, отделяющего нас от их понимания. Обычно этот барьер связан с математикой. Чтобы ответить на поставленные выше вопросы, а также на многие другие, необходимо понимание квантовой теории, но в действительности для этого не требуется математика.

Эта книга разовьёт вашу квантовую интуицию — и тем самым радикально изменит ваш способ восприятия окружающей действительности. Механику вы понимаете интуитивно, но знакомую вам механику мы называем классической. Когда в бейсболе делается длинный удар, вы знаете, что мяч сначала полетит вверх, а затем его траектория изогнётся и он упадёт на землю. Вы знаете, что если ударить по мячу сильнее, то он полетит быстрее и пролетит дальше, прежде чем упадёт. Почему мяч ведёт себя таким образом? Потому что на него действует гравитационное притяжение Земли. Вы смотрите на Луну и знаете, что она обращается вокруг Земли. Почему? Потому что гравитация притягивает Луну к Земле. Вам не надо садиться и решать ньютоновские уравнения движения, чтобы рассчитать, что произойдёт. Из повседневного опыта вы знаете, что яблоки падают вниз, а не вверх и что автомобилю, едущему быстрее, требуется больший путь, чтобы остановиться. Однако повседневный опыт не позволяет объяснить, почему вишня красная, а черника синяя. Цвет неразрывно связан с квантовомеханическим описанием молекул. Повседневный опыт не готовит нас к пониманию природы тех окружающих вещей, которые зависят от квантовых явлений. Как уже упоминалось здесь и подробно описывается в этой книге, понимание таких повседневных вещей, как цвет и электричество, требует квантовомеханического взгляда на природу.

Почему без математики? Представьте, что в этой книге изложение начиналось бы на вашем родном языке, потом переходило бы на латынь, а затем вновь возвращалось к исходному языку. Теперь представьте, что это переключение происходило бы всякий раз, когда начинаются подробные объяснения. Такие переходы с языка на язык, происходящие в книгах по квантовой механике, отличаются лишь тем, что они выполняются не между вашим языком и латынью, а между вашим языком и математикой. В серьёзных квантовомеханических книгах, например в моём собственном учебнике «Элементы квантовой механики» (Elements of Quantum Mechanics. Oxford University Press, 2001), вы будете постоянно встречать фразы такого рода: «данные взаимодействия описываются следующим набором спаренных дифференциальных уравнений». После уравнений в тексте будет сказано: «решения этих уравнений таковы», и далее последуют новые формулы. В этой книге, напротив, всё изложение является описательным. Диаграммы заменяют множество уравнений; исключение составляют лишь некоторые простые алгебраические формулы, которые детально объясняются. Однако и без обычного переизбытка математики фундаментальные философские и концептуальные основы приложений квантовой механики объясняются достаточно полно. Таким образом, каждый может достичь определённого уровня проникновения в квантовую теорию и углубить своё понимание окружающего мира. Если вы хорошо знаете математику, эта книга всё равно будет для вас полезной. Вы приобретёте концептуальное понимание, необходимое для перехода к математическому изложению квантовой теории. Если вы хотите получить некоторый объём умственной нагрузки, не связанной с математикой, эта книга познакомит вас с основами квантовой теории и с её приложениями к физике атомов и молекул.

 

Кот Шрёдингера

 

Почему вишня красная, а черника синяя? Что подразумевается под понятием «размер»? Кажется, что эти два вопроса совершенно не связаны между собой, а второй вопрос вообще не имеет смысла. Разве мы не знаем, что такое размер? Одни вещи большие, другие маленькие. Но развитие квантовой теории показало, что эти два вопроса тесно взаимосвязаны и что до двадцатых годов прошлого века мы опирались на совершенно неверное понимание размера.

Наше представление о размере, когда мы вообще об этом задумываемся, отлично работает в повседневной жизни. Однако начиная примерно с 1900 года та физика, которая описывает все происходящие в природе процессы, и та, что прекрасно подходит для обеспечения посадки космических аппаратов на Марс, стали расходиться между собой. В итоге принципиально новое понимание размера понадобилось не только для объяснения того, почему вишня красная, а черника синяя, но и для понимания устройства молекул, составляющих наши тела, и микроэлектроники, обеспечивающей работу наших компьютеров, для объяснения, почему углекислый газ является парниковым и как электричество течёт по металлам.

Повседневный опыт учит нас мыслить в понятиях классической физики, которая была значительно развита и формализована Исааком Ньютоном (1642–1727). Всё, что мы узнаём с раннего детства, подготавливает нас к принятию фундаментально ошибочного представления о природе. Эта книга посвящена понятию абсолютного размера и вытекающей из него квантовой теории, которая требует кардинально изменить способ мышления о природе. В первой половине книги описываются основные понятия квантовой теории, а во второй эта теория применяется для объяснения многих особенностей мироустройства через анализ свойств атомов и молекул, а также их роли в повседневной жизни.

Начало работе над этой книгой положил простой вопрос: можно ли понять квантовую механику с позиций здравого смысла? Мне задали его на фестивале науки «Вондерфест-2005», проводимом при поддержке физического факультета Калифорнийского университета в Беркли и химического факультета Стэнфордского университета. «Вондерфест» — это ежегодное мероприятие, на котором читаются лекции для широкой публики о последних достижениях в самых разных дисциплинах. Однако меня попросили подготовить выступление не о последних достижениях в моей области исследований, а на тему: «Можно ли понять квантовую механику с позиций здравого смысла», поскольку споры на эту тему с участием как учёных, так и непрофессионалов не утихают с самого появления квантовой теории в 1900 году. Причём на то, чтобы представить свой утвердительный ответ на данный вопрос, у меня было всего полчаса. Задача оказалась чрезвычайно трудной, так что я в течение нескольких месяцев размышлял на эту тему и потратил уйму времени на подготовку к лекции. Несмотря на это, я считал, что моё выступление провалилось, — не потому, что такие важные вопросы невозможно разъяснить неспециалистам, но из-за жёстких ограничений по времени. Чтобы добраться до сути дела, необходимо ввести некоторые понятия, позволяющие чётко обозначить различия между классической и квантовой механикой.

Эта книга — моя попытка уделить квантовому описанию природы достаточно времени, чтобы вынести о нём предметное суждение. Используемая в книге математика очень проста — не сложнее элементарных формул. Идея состоит в том, чтобы сделать квантовую теорию полностью доступной для неспециалиста. Тем не менее тот факт, что книга практически не требует знания математики, не означает, что её материал прост. Читать Кьеркегора^{1} совсем непросто, хотя для этого и не требуется математических знаний. Однако, в отличие от работ Кьеркегора, смысл представленного здесь материала должен быть ясен всякому читателю, готовому приложить небольшое мыслительное усилие.

Классическая механика описывает движение бейсбольного мяча, вращение волчка и полёт аэроплана. Квантовая механика описывает движение электронов и форму молекул, скажем, ненасыщенных жиров, а также электропроводность и сверхпроводимость. Классическая механика — это ограниченная версия квантовой механики. Квантовая механика содержит классическую, но не наоборот. В этом смысле классическая механика неверна. Однако мы используем её при создании мостов, автомобилей, самолётов и плотин, не тревожась о том, что при их конструировании не использовалось более общее описание природы, заложенное в квантовой механике. Использование классической механики не приводит к обрушению мостов, автоавариям, падениям самолётов или прорывам плотин. В своей области, то есть в применении к механике, с которой мы сталкиваемся в повседневной жизни, классическая теория работает безупречно.

Наше интуитивное ощущение того, как устроен мир, основывается на повседневном опыте, и этот опыт в основном классический. Тем не менее даже в повседневной жизни классическая механика не может объяснить, почему молекулы, содержащиеся в чернике, делают её синей, а молекулы, содержащиеся в вишне, придают ей красный цвет. Интуиция, которая вырабатывается в течение всей нашей жизни благодаря наблюдениям за определёнными проявлениями природы, приводят к тому, что мы оказываемся не готовы принять другие её аспекты, даже несмотря на то что эти аспекты пронизывают всю нашу повседневную жизнь.

 

Кот Шрёдингера

 

Кота Шрёдингера часто используют в качестве иллюстрации парадоксов, которыми, как кажется, пропитано квантовомеханическое описание природы. Эрвин Шрёдингер (1887–1961) и Поль Дирак (1902–1984) получили Нобелевскую премию по физике в 1933 году за вклад в разработку квантовой теории, в особенности

 

«за открытие новых плодотворных форм атомной теории».

 

Шрёдингеру никогда не нравилась трактовка той математики, которая является фундаментальной первоосновой квантовой теории. Идеи, тревожившие Шрёдингера, как раз и являются предметом обсуждения в этой книге. Ставший знаменитым «кот Шрёдингера» служил ему в качестве иллюстрации некоторых беспокоивших его проблем. У нас кот Шрёдингера появляется в модифицированной версии просто для того, чтобы показать, что квантовая механика кажется лишённой смысла, если обсуждать её с использованием обыденных житейских понятий. Рассматриваемые здесь коты служат для того, чтобы докопаться до сути дела, и отличаются от первоначальной шрёдингеровской версии, которая является более эзотерической. К описываемому сценарию мы ещё вернёмся в дальнейшем. Он будет обсуждаться как аналогия реальных экспериментов, объяснённых квантовой теорией, но не как реальный физический пример работы квантовой механики.

Представьте себе, что перед вами выставили 1000 ящиков и в процессе эксперимента вы должны их вскрыть. Вам сказали, что в каждом ящике находится наполовину мёртвый кот, так что при вскрытии первой попавшейся коробки вы рассчитываете увидеть очень больное животное. В действительности сказанное вам требует пояснения. Корректное утверждение состоит не в том, что все коты полумёртвые, а в том, что каждый из них находится в состоянии, в котором он одновременно абсолютно мёртв и полностью здоров. Это смесь смерти и здоровья в пропорции 50:50. Другими словами, есть 50-процентная вероятность того, что кот мёртв, и 50-процентная вероятность того, что он жив. Каждый из тысячи котов в этой тысяче ящиков находится в точности в одном и том же состоянии. Квантовый экспериментатор, который подготовил все эти ящики, не помещал в 500 ящиков 500 мёртвых котов, а в остальные 500 ящиков ещё 500 живых котов. Вместо этого он поместил во все ящики одинаковых котов, каждый из которых представляет собой некую смесь 50 на 50 мёртвого и совершенно здорового кота. Пока коты заперты в ящиках, они не изменяются и остаются в смешанном мёртво-живом состоянии. Далее вам говорят, что, вскрыв ящик, вы определите судьбу кота. Сам акт осмотра, нацеленный на то, чтобы увидеть, жив ли кот, предопределяет, жив он или мёртв.

Вы открываете первый ящик и обнаруживаете совершенно здорового кота. Заглядываете в следующие три ящика и находите мёртвых котов. Вскрываете ещё один ящик и видите живого кота. Когда вскрыта тысяча ящиков, у вас 500 живых и 500 мёртвых котов. Возможно, вы удивитесь ещё сильнее, когда повторите всё то же самое с новой тысячей ящиков, содержащих смесь 50 на 50 мёртвых и абсолютно здоровых котов. Если вы откроете ящики в том же порядке, как и в первый раз, то не обязательно получите тот же самый результат для каждого отдельного ящика. Скажем, в первый раз при проверке ящика номер 10 обнаружился живой кот. При втором заходе вы можете найти в нём мёртвого кота. Первый прогон эксперимента не даёт никакой информации о том, что будет содержать каждый ящик во второй раз. Однако после того, как вскрыта вся тысяча ящиков, во втором заходе вы вновь получите 500 живых котов и 500 мёртвых.

Я должен признаться, что допустил некоторое упрощение. В двух заходах эксперимента со шрёдингеровскими котами вы, вероятно, не получите каждый раз ровно по 500 живых и 500 мёртвых котов. Эта ситуация чем-то похожа на 1000-кратное бросание идеальной монеты. Поскольку вероятность выпадения решки равна одной второй и вероятность выпадения орла — тоже одна вторая, после 1000 бросаний вы получите около 500 решек. Однако у вас может также выпасть 496 или 512 решек. Вероятность получить ровно 500 решек и 500 орлов при 1000 бросаний составляет 0,025 (2,5 %). Вероятность выпадения 496 решек равна 0,024 (2,4 %), а 512 решек — 0,019 (1,9 %). Вероятность получить только 400 решек или 400 живых котов при 1000 попыток составляет 4,6∙10^−11 = 0,000000000046. Таким образом, возможные исходы сосредоточены вблизи 500 из 1000, или 50 %. Зная, что имеется 1000 ящиков со шрёдингеровскими котами, которые представляют собой смесь 50 на 50 мёртво-живых котов, или 1000 раз бросая идеальную монету, вы не можете сказать, что случится при вскрытии одного конкретного ящика или при отдельном бросании монеты. На самом деле нельзя даже точно сказать, что случится, когда вы откроете всю тысячу ящиков или 1000 раз подбросите монету. Можно говорить лишь о том, какова вероятность получить определённый результат для одного события и каким будет наиболее вероятный совокупный результат множества событий.

 

Не так, как при бросании монеты

 

Существует принципиальная разница между котами Шрёдингера, или, более строго, реальными квантовыми экспериментами, и бросанием монеты. Перед броском монета повёрнута вверх либо орлом, либо решкой. Бросая её, я не знаю, каким будет исход, но монета начинает движение из хорошо определённого состояния — вверх либо орлом, либо решкой — и заканчивает тоже в хорошо определённом состоянии — орёл или решка. Можно построить машину, которая подбрасывает монету настолько точно, что при падении та всегда даёт один и тот же результат. Никакие законы природы этому не препятствуют. Кладя монету в машину решкой вверх, можно переключателем задать, как именно она должна выпасть — орлом или решкой. Когда монету бросают рукой, нельзя абсолютно точно повторить движение, что и делает исход случайным. Однако ящик, содержащий кота Шрёдингера, — это совсем другое дело. Кот является смесью живого и мёртвого в соотношении 50 на 50. Именно акт вскрытия ящика и наблюдения состояния кота заставляет последнего перейти из «смешанного состояния» в «чистое» — либо живое, либо мёртвое. Не имеет значения, как именно открываются ящики. В отличие от случая с монетами машина, построенная для открывания всей тысячи ящиков в точности одинаковым способом, не приведёт к получению одинаковых результатов. Единственное, что известно при вскрытии любого ящика, — то, что с вероятностью 50 % в нём обнаружится живой кот.