Что такое частица?

Пионером нашего подхода к квантовой теории считается Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии и нью‑ йоркский барабанщик, которого его друг и соавтор Фримен Дайсон охарактеризовал как «наполовину гений, наполовину шут». Впоследствии Дайсон изменил свое мнение: более точно было бы назвать Фейнмана «полным гением и полным шутом». Мы будем придерживаться в книге именно его подхода, потому что, во‑ первых, это весело, а во‑ вторых, это едва ли не простейший способ понять нашу квантовую Вселенную.

Помимо авторства самой простой формулировки квантовой механики, Ричард Фейнман был также прекрасным педагогом, способным перенести свое глубокое понимание физики на страницы или в лекционную аудиторию с несравненной ясностью и минимумом суеты. Его стиль изложения совершенно не походил на стиль тех, кто хотел бы сделать физику сложнее, чем она должна быть. И все же в самом начале своей классической серии вузовских учебников «Фейнмановские лекции по физике» он посчитал важным сразу же честно предупредить, что квантовая теория противоречит человеческой интуиции. Фейнман писал, что субатомные частицы «не ведут себя как волны, как частицы, как бильярдные шары, как пружинные весы, как то, что вы могли видеть». Что ж, попытаемся построить модель того, как они все‑ таки себя ведут.

Для начала предположим, что элементарные строительные кирпичики природы – это частицы. Это подтверждается не только двухщелевым экспериментом, в котором электроны всегда прибывают в конкретные места экрана, но и множеством других исследований. И действительно, «физика частиц» не зря так называется. Нужно решить следующий вопрос: как перемещаются частицы? Конечно, проще всего предположить, что они двигаются по идеально прямым линиям или же по кривым, если на них действуют силы согласно законам Ньютона. Однако это не может быть верным, потому что любое объяснение двухщелевого эксперимента предполагает, что электроны «интерферируют друг с другом», проходя через щели, а для этого они должны каким‑ то образом рассеиваться. Итак, проблема – создать такую теорию точечных частиц, чтобы эти частицы еще и рассеивались. Но задача не так нереальна, как кажется: это можно сделать, если «позволить» каждой частице находиться одновременно в нескольких местах. Конечно, это опять‑ таки кажется невозможным, но предположение о том, что частица может находиться в нескольких местах одновременно, по крайней мере, довольно ясное, даже если звучит весьма глупо. С этого момента мы будем называть такие частицы – противоречащие интуиции, рассеянные, но при этом точечные – квантовыми.

Высказав предположение, что «частица может одновременно находиться более чем в одном месте», мы отрываемся от повседневного опыта и вступаем на неизведанную территорию. Одно из главных препятствий для развития понимания квантовой физики – смятение, порождаемое таким способом мышления. Чтобы его избежать, нужно следовать за Гейзенбергом и учиться спокойно мириться с взглядами на мир, идущими вразрез с житейским опытом. «Неудобство» теории часто ошибочно принимается за смятение, и нередко изучающие квантовую физику продолжают пытаться понять происходящее с точки зрения повседневного опыта. Но к смятению ведет сопротивление новым идеям, а не внутренняя сложность самих идей, потому что реальный мир попросту устроен не так, как подсказывает нам повседневный опыт. И поэтому нужно подходить к делу с непредубежденным умом и не смущаться кажущейся странностью. Это понимал даже Шекспир – его Гамлет говорит: «Как к чудесам, вы к ним и отнеситесь. Гораций, много в мире есть того, что вашей философии не снилось»[5].

Хороший способ начать – тщательно поразмыслить над версией двухщелевого эксперимента для волн воды. Наша цель – выяснить, что же в волнах вызывает появление интерференционной фигуры. Мы должны убедиться, что теория квантовых частиц включает такое же поведение и мы сможем попытаться объяснить двухщелевой эксперимент и для электронов.

Волны, проходящие через две щели, могут интерферировать друг с другом по двум причинам. Первая: волна проходит через обе щели одновременно, создавая две новые волны, которые отклоняются и смешиваются. Очевидно, что волна может себя так вести. У нас нет ни малейших проблем с тем, чтобы представить себе одну длинную океанскую волну, которая накатывает на берег и разбивается о пляж. Это стена воды – распростертая, не стоящая на месте. Таким образом, надо понять, как сделать такой же «распростертой, не стоящей на месте» нашу частицу. Вторая причина в том, что две новые волны, отходящие от щелей, могут при смешивании либо добавляться друг к другу, либо ослаблять действие друг друга. Эта способность двух волн интерферировать, очевидно, и будет ключевой для объяснения появления интерференционной фигуры. Крайний случай – совпадение максимума одной волны с минимумом другой. В этом случае они полностью погасят друг друга. Поэтому мы сталкиваемся с необходимостью заставить нашу квантовую частицу каким‑ то образом интерферировать саму с собой.

Двухщелевой эксперимент связывает поведение электронов с поведением волн, поэтому давайте посмотрим, насколько далеко может зайти это соответствие. Посмотрим на рис. 3.1, сначала проигнорировав линии, соединяющие точки А с Е и B с F, и соcредоточимся на волнах.

Рис. 3.1. Как волна, описывающая поведение электрона, движется от источника к экрану и как ее нужно интерпретировать в качестве представления всех вариантов траекторий электрона. Пути от A до C и E и от B до D и F иллюстрируют всего лишь две из бесконечного множества траекторий, по которым может двигаться одиночный электрон

Наш рисунок может описывать цистерну с водой. Тогда волнистые линии представляют – слева направо – то, как водяная волна катится через цистерну. Допустим, мы сфотографировали цистерну сразу после того, как деревянная доска слева ударила по воде, вызвав волну. На фотографии будет видна новообразованная волна, простирающаяся сверху вниз. Вся остальная вода в цистерне остается спокойной. На второй фотографии, сделанной чуть позже, видно, как водяная волна двигается к щелям, оставляя за собой ровную поверхность. Еще позже волна проходит через пару щелей и создает полосатую интерференционную фигуру, которую иллюстрируют волнистые линии в правом углу.

А сейчас давайте перечитаем последний абзац, только вместо «водяной волны» подставим «электронную волну», что бы это ни значило. Электронная волна, если ее интерпретировать должным образом, может объяснить ту полосатую фигуру, которую мы хотим понять, потому что в эксперименте она ведет себя так же, как волна воды. Но осталось объяснить, почему же электронная фигура получается из точек, когда электроны попадают на экран один за другим. На первый взгляд, это противоречит идее гладкой волны, но на самом деле это не так. Нужно догадаться, что мы можем предложить следующее объяснение: электронную волну следует интерпретировать не как реальное материальное возмущение (как в случае с волной воды), а как некий способ информирования нас о том, где, вероятно, электрон будет обнаружен. Заметьте, мы говорим «электрон», а не «электроны», потому что волна должна описать поведение одиночного электрона – таким образом мы получим возможность объяснить, откуда же берутся эти точки. Это электронная волна, а не волна электронов, и тут нельзя ошибаться. Если мы представим себе снимок волны в какой‑ то момент времени, то возникнет мысль интерпретировать его следующим образом: там, где волна наибольшая, существует наибольшая вероятность найти электрон, а там, где волна меньше всего, вероятность встретить наш электрон наименьшая. Когда волна наконец достигает экрана, там появляется маленькая точка, которая и сообщает о его местонахождении. Единственная задача электронной волны – дать нам возможность вычислить шансы на то, что электрон попадет в определенную точку экрана. Если же не беспокоиться, чем в действительности «является» электронная волна, то все сразу становится ясным, потому что как только мы рассчитаем волну, то сразу сможем сказать, где, скорее всего, располагается электрон. Самое интересное начинается позже, когда мы пытаемся понять, как связано наше предположение по поводу электронной волны с путешествием электрона от щели к экрану.

Но прежде чем мы приступим, полезно будет еще раз перечитать предыдущий абзац, потому что он очень важен. То, что в нем излагается, совершенно не очевидно и уж точно не соответствует интуиции. У предположения об «электронной волне» есть все необходимые свойства, чтобы объяснить появление наблюдаемой при эксперименте интерференционной фигуры, но в целом это типичная догадка о том, как это может происходить на самом деле. Как хорошие физики, мы должны рассмотреть последствия и выяснить, насколько эта догадка согласуется с природой.

Вернемся к рис. 3.1. Мы предположили, что в каждый момент времени электрон описывается волной – такой же, как водяная. В первый момент электронная волна находится слева от щелей. Это значит, что наш электрон в каком‑ то смысле где‑ то внутри волны. Позднее волна продвигается к щелям, так же как водяная, и электрон оказывается где‑ то в составе новой волны. Мы говорим, что электрон «может быть сначала в А, а потом в С», или «сначала в В, а потом в D», или же «сначала в А, а потом в D» и т. д. Зафиксируйте ненадолго эту мысль и подумайте теперь о еще более позднем времени после того, как волна прошла через щели и достигла экрана. Сейчас электрон можно обнаружить в Е или, возможно, в F. Кривые, которые мы изобразили на диаграмме, отображают две возможные траектории, по которым электрон мог двигаться от своего источника через щели в сторону экрана. Он мог отправиться от А через С в Е или от В через D в F. И это всего две траектории из бесконечного числа возможных для этого электрона.

Важно, что нет никакого смысла говорить: «Электрон мог проследовать любым из этих маршрутов, но на самом деле он двигался только одним из них». Если решить, что электрон действительно шел по одной конкретной траектории, то у нас будет не больше шансов на объяснение появления интерференционной фигуры, чем если бы мы закрыли одну из щелей в эксперименте с водой. Нам нужно, чтобы волна могла пройти через обе щели – только так мы получим интерференционную фигуру. Значит, нужно разрешить все возможные траектории движения электрона от источника к экрану. Иными словами, под выражением «электрон где‑ то в волне» мы имели в виду, что он одновременно находится во всей волне! Именно так мы и должны думать, потому что, если мы считаем, что электрон действительно находится в каком‑ то конкретном месте, волна утрачивает распределенность в пространстве, и мы теряем аналогию с водяной волной. В результате интерференционная фигура остается без объяснения.

Здесь, возможно, снова имеет смысл перечитать приведенные выше рассуждения, потому что из них следует многое из того, что говорится ниже. И это не какая‑ то ловкость рук: мы утверждаем, что нам нужно описать распространяющуюся волну, которая при этом считается также точечным электроном, и единственный способ сделать это – заявить, что электрон перемещается от источника к экрану всеми возможными траекториями сразу.

Соответственно, мы должны описывать одиночный электрон, движущийся от источника к экрану по бесконечному разнообразию маршрутов, как электронную волну. Иными словами, правильный ответ на вопрос «Как этот электрон добрался до экрана?» звучит так: «Он попал туда бесконечно возможными способами, некоторые из них предполагают прохождение через верхнюю щель, а некоторые – через нижнюю». Определенно, этот электрон – не обычная частица. Это квантовая частица.

Определившись с тем, что описание электрона во многих отношениях подражает поведению волн, мы должны выработать более точные понятия о самих волнах. Начнем с описания того, что происходит в цистерне с водой, когда две волны встречаются, смешиваются и интерферируют друг с другом. Для этого необходимо найти удобный способ представления положений взлетов и падений каждой волны. На техническом жаргоне эти положения называются фазами. Обычно говорят, что волны «в фазе», если они усиливают друг друга, или «в противофазе», если они отменяют друг друга. То же слово применяется по отношению к Луне: в течение примерно 28 дней Луна проходит путь от новолуния до полнолуния и обратно в непрерывном цикле возрастания и убывания. Этимология слова «фаза» восходит к греческому phasis, которое означает появление и исчезновение астрономического феномена, а регулярное появление и исчезновение яркой лунной поверхности за 20 веков привело к тому, что слово «фаза» стало использоваться при обозначении всего циклического.

И это подсказывает нам возможность графического отображения положения взлетов и падений водяных волн.

Взгляните на рис. 3.2. Один из способов отобразить фазу – представить ее в виде циферблата с единственной стрелкой. Это позволяет нам визуально представить 360‑ градусный круг возможностей: стрелка часов может указывать на 12 часов, на 3 часа, на 9 часов и на все промежуточные стадии. В случае с Луной можно представить, что новолунию соответствует стрелка на 12 часах, неомении – на 1: 30, первой четверти – на 3, растущей Луне – на 4: 30, полной Луне – на 6 и т. д. Здесь мы используем нечто абстрактное для описания чего‑ то конкретного, то есть циферблат для фаз Луны. Таким образом, при изображении циферблата со стрелкой на 12 часах вы сразу поймете, что на рисунке представлено новолуние. И даже если это специально не оговорено, увидев стрелку на 5 часах, вы догадаетесь, что приближается полнолуние. Применение абстрактных рисунков, или символов, для отражения реальных вещей очень характерно для физики: собственно, для того физики и используют математику. Сила такого подхода в том, что, оперируя абстрактными рисунками с помощью простых правил, можно делать уверенные предсказания о реальном мире. Как мы сейчас увидим, циферблаты как раз дают такую возможность, потому что могут фиксировать относительные положения взлетов и падений волн. Это, в свою очередь, позволит вычислить, будут волны усиливать или отменять друг друга при наложении.

Рис. 3.2. Фазы Луны

На рис. 3.3 изображены две водяные волны в определенный момент времени. Представим максимумы волн в виде циферблатов со стрелкой на 12 часов, а минимумы – в виде циферблатов со стрелкой на 6. Мы можем отобразить и промежуточные между минимумом и максимумом положения волн, нарисовав циферблаты с промежуточным временем, как и в случае с фазами между новой и полной Луной. Расстояние между последовательными взлетами и падениями – важная величина; она известна как длина волны.

.

Рис. 3.3. Две волны расположены так, что полностью нейтрализуют друг друга. Верхняя и нижняя волна находятся в противофазе, то есть максимумы одной соответствуют минимумам другой. Когда эти волны складываются, они гасят друг друга, что и показывает «волна» внизу в виде прямой линии

Две волны на рис. 3.3 находятся в противофазе, то есть максимумам верхней волны соответствуют минимумы нижней волны, и наоборот. В результате, разумеется, они при сложении полностью погасят друг друга. Это показано в нижней части рисунка, где волна становится совершенно прямолинейной. Если говорить о циферблатах, то все 12‑ часовые циферблаты верхней волны, отображающие ее пики, соответствуют 6‑ часовым циферблатам нижней волны, отображающим ее минимумы. Собственно, везде стрелки на циферблатах верхней волны указывают в сторону, противоположную циферблатам нижней волны.

На этом этапе кажется, что ввод циферблатов для описания волн – излишнее усложнение.

Конечно, если мы хотим сложить две волны воды, то все, что нужно, – сложить высоты каждой из волн, для чего никаких циферблатов не требуется. Да, для обычных водяных волн это верно, но мы не сумасшедшие и ввели циферблаты, имея на то свои основания. Очень скоро обнаружится, что гибкость, достигнутая с их помощью, совершенно необходима, когда дело дойдет до квантовых частиц.

Держа это в уме, ненадолго остановимся и попробуем сформулировать точное правило сложения циферблатов. В случае на рис. 3.3 правило должно выглядеть так, что все циферблаты «взаимно отменяются», так что ничего не остается: 12 часов отменяет 6 часов, 3 часа отменяет 9 часов и т. д. Такая совершенная взаимная нейтрализация, разумеется, отражает тот особый случай, когда волны находятся в идеальной противофазе. Попробуем найти общее правило, работающее для сложения волн любого расположения и любой формы.

На рис. 3.4 показаны еще две волны, на этот раз соединяющиеся по‑ другому: одна немного смещена относительно другой. Мы вновь отметили максимумы, минимумы и промежуточные точки циферблатами. Сейчас 12‑ часовой циферблат верхней волны соответствует трехчасовому циферблату нижней. Мы попытаемся сформулировать правило, которое позволит складывать эти циферблаты. Оно состоит в том, что нужно взять две стрелки и соединить их головкой и хвостом. После этого достраиваем треугольник, рисуя новую стрелку, которая сводит вместе две предыдущие. Пример приведен на рис. 3.5. Новая стрелка отличается по длине от двух других и указывает в другом направлении; это новый циферблат, отображающий сумму двух предыдущих.

Рис. 3.4. Две волны смещены относительно друг друга. Верхняя и средняя волны складываются, образуя нижнюю волну

Теперь можно добиться большей точности и с помощью простой тригонометрии вычислить результаты сложения любой конкретной пары циферблатов. На рис. 3.5 мы складываем 12‑ часовой и 3‑ часовой циферблаты. Допустим, длина стрелок двух первых циферблатов – 1 см (что соответствует максимальной высоте волны – 1 см). Когда мы сводим стрелки головкой к хвосту, получается прямоугольный треугольник, две стороны которого имеют длину 1 см каждая. Стрелка нового циферблата будет иметь длину третьей стороны треугольника – гипотенузы. Теорема Пифагора гласит, что квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов: h ² = x ² + y ². Подставляем числа: h ² = 1² + 1² = 2. Итак, длина новой стрелки циферблата h будет равняться квадратному корню из 2, то есть примерно 1, 414 см. В каком направлении будет указывать эта новая стрелка? Для этого нужно узнать величину угла треугольника, отмеченного на рисунке буквой θ. В нашем примере, когда две стрелки одинаковой длины, одна из которых указывает на 12, а другая на 3, можно найти ответ и без всякой тригонометрии. Очевидно, что гипотенуза образует угол 45°, так что новое «время» будет находиться между 12 и 3 часами – это половина второго. Конечно, такой пример – особенный случай. Мы выбрали такие циферблаты, чтобы их стрелки располагались под прямыми углами и имели одинаковую длину, а это упрощает математику. Но очевидно, что можно вычислить длину стрелки и получающееся время при сложении любой пары циферблатов.

Рис. 3.5. Правило сложения циферблатов

Теперь вернемся вновь к рис. 3.4. Для любой точки на маршруте новой волны мы можем вычислить высоту волны, сложив циферблаты по приведенному выше правилу и задавшись вопросом, насколько стрелка нового циферблата близка к 12‑ часовому направлению. Когда стрелка указывает на 12, все очевидно: высота волны попросту равна длине стрелки. Точно так же, когда стрелка направлена на 6, все очевидно: волна находится на минимуме, и ее глубина равна длине стрелки. Все понятно и в том случае, когда на часах 3 или 9, потому что высота волны равна нулю, ведь стрелка часов находится под прямым углом к 12‑ часовому направлению. Чтобы вычислить высоту волны, которую описывает тот или иной циферблат, нужно умножить длину стрелки h на косинус угла, который эта стрелка образует с направлением на 12 часов. Например, угол, который образуют направления на 3 и на 12 часов, равен 90°, а cos 90° равен нулю, так что высота волны тоже равна нулю. Половина второго соответствует углу в 45°, а cos 45° – примерно 0, 707, так что высота волны составляет 0, 707 от длины стрелки (заметьте, что 0, 707 – это 1 / √ 2!). Если ваших познаний в тригонометрии недостаточно, чтобы понять несколько последних предложений, можно смело игнорировать эти подробности. Важен принцип: зная длину стрелки часов и ее направление, вы можете вычислить высоту волны – и даже если не понимаете тригонометрию, легко справитесь, тщательно нарисовав стрелки часов и спроецировав их на 12‑ часовое направление с помощью чертежной линейки. (Здесь мы хотели бы уточнить, что всем читающим эту книгу студентам такой способ действий не рекомендуется: синусы и косинусы знать полезно.)

Таково правило сложения циферблатов, и оно прекрасно работает, как показывает нижняя из трех картинок на рис. 3.4, где мы систематически применяли это правило для различных точек на волнах. В этом описании водяных волн все, что имеет значение, – проекция «времени» на 12‑ часовое направление, связанная с единственным параметром – высотой волны.

Вот почему использование циферблатов не так уж необходимо при описании водяных волн. Взгляните на три циферблата на рис. 3.6: все они соответствуют одной и той же высоте волны и дают эквивалентные способы представления одной и той же высоты воды. Но циферблаты эти, разумеется, различны, и, как мы увидим, эти различия имеют значение, если использовать их для описания квантовых частиц, потому что в этом случае длина стрелки циферблата (или размер циферблата, что одно и то же) имеют очень важное истолкование.

.

Рис. 3.6. Три разных циферблата с одной и той же проекцией на 12‑ часовое направление

В некоторых местах этой книги, и особенно в этом, мы будем иметь дело с абстракциями. Чтобы не поддаться головокружительному беспорядку, нужно помнить об общей картине. Экспериментальные результаты Дэвиссона, Джермера и Томсона и сходство полученных данных с поведением водяных волн вдохновили нас на следующий анзац: частицу следует представить в виде волны, а сама волна может быть изображена в виде множества циферблатов. Мы представляем, как электрон распространяется «подобно водяной волне», но пока не дали подробного объяснения, что же происходит. Пока нам важна только сама аналогия с водяными волнами и понимание того, что электрон в любой момент может быть описан как волна, которая распространяется и интерферирует подобно водяным волнам. В следующей главе постараемся с большей точностью описать, как перемещается электрон с течением времени. Помогать нам в этом будут различные бесценные идеи, включая знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга.

Но прежде потратим немного времени на обсуждение циферблатов, с помощью которых мы представляем электронную волну. Подчеркиваем, что эти циферблаты ни в коем смысле нельзя считать реальными, а часовая стрелка не имеет никакого отношения ко времени суток. Идея использовать множество микроскопических циферблатов для описания реального физического феномена не так уж нелепа, как это может показаться. Подобные технические приемы для описания природных явлений используют многие физики, и мы уже видели, как это работает при описании водяных волн.

Еще один пример подобного абстрагирования – описание температуры в комнате, которое может быть представлено в виде числового множества. Числа не существуют как физические объекты, и это роднит их с нашими циферблатами. Множество чисел и их связь с точками в комнате – просто удобный способ представления температуры. Физики называют такую математическую структуру полем. Температурное поле – просто числовое множество, одно число для одной точки. В случае с квантовыми частицами поле обладает большей сложностью, потому что для каждой точки требуется не просто число, а целый циферблат. Такое поле обычно называется волновой функцией частицы. То, что нам для создания волновой функции требуется ряд циферблатов, хотя для температурного поля или волн воды достаточно числа, демонстрирует существенную разницу. На физическом жаргоне циферблаты появляются потому, что волновая функция – это «комплексное» поле, а температура или высота водяной волны – «действительное» поле. Но нам подобный язык не пригодится, потому что мы можем работать с циферблатами[6].

Не стоит беспокоиться по поводу отсутствия непосредственных способов почувствовать волновую функцию, в отличие от температурного поля. То, что мы не можем ее осязать, нюхать или видеть непосредственно, никакого значения не имеет. Честно говоря, мы бы немногого добились в физике, если бы решили ограничить себя описанием тех вещей во Вселенной, которые можем воспринимать непосредственно.

При обсуждении двухщелевого эксперимента с электронами мы говорили, что электронная волна будет самой большой там, где электрон находится с наибольшей вероятностью. Эта интерпретация позволила осознать, как полосатая интерференционная фигура может создаваться постепенно, точка за точкой, по мере прибытия электронов. Но сейчас это утверждение для наших целей уже недостаточно точное. Мы хотим знать, какова вероятность обнаружить электрон в конкретной точке; мы хотим измерить эту вероятность каким‑ либо числом. Здесь‑ то и возникает потребность в циферблатах, потому что та вероятность, которую мы хотим найти, не просто высота волны. Правильно будет интерпретировать квадрат длины стрелки как вероятность найти частицу в конкретном месте циферблата. Вот почему необходима та дополнительная гибкость, которую и дают циферблаты по сравнению с обычными числами. Эта интерпретация, разумеется, не совсем очевидна, и у нас нет хорошего объяснения ее правильности. Мы знаем, что она правильна, потому что ведет к предсказаниям, согласующимся с экспериментальными данными. Такая интерпретация волновой функции – один из самых трудных вопросов, с которыми сталкивались первопроходцы в области квантовой теории.

Волновая функция (то есть наш набор циферблатов) была введена в квантовую теорию серией работ, опубликованных в 1926 году австрийским физиком Эрвином Шрёдингером. Его статья, вышедшая 21 июня, содержит уравнение, которое должно накрепко засесть в голове у каждого студента‑ физика. Совершенно логично, что оно получило название уравнения Шрёдингера:

Греческая буква Ψ (произносится «пси») обозначает волновую функцию, и уравнение Шрёдингера показывает, как эта функция изменяется с течением времени. Детали уравнения не нужны для наших целей, потому что мы не собираемся использовать в книге подход Шрёдингера. Интересно, что, хотя Шрёдингер и записал правильное уравнение волновой функции, вначале он дал ему неверное толкование. Лишь Макс Борн, один из старейших на 1926 год физиков, работавших в области квантовой теории (он находился в почтенном возрасте 43 лет), дал верную интерпретацию уравнения в статье, вышедшей спустя всего четыре дня после работы Шрёдингера. О возрасте мы заговорили потому, что в середине 1920‑ х годов квантовая теория имела прозвище Knabenphysik – «мальчишеская физика», потому что многие из ее ключевых деятелей были молоды. В 1925 году Гейзенбергу было 23, Вольфгангу Паули, со знаменитым принципом которого мы встретимся позже, исполнилось 22, как и Полю Дираку, британскому физику, который первым вывел уравнение, верно описывающее электрон. Часто говорят, что молодость освободила их от старых способов мышления и позволила полностью отдаться радикально новой картине мира, которую предоставляла квантовая теория. В этой компании 38‑ летний Шрёдингер был стариком, и он действительно так до конца и не освоился с той теорией, в разработке которой сыграл ключевую роль.

Радикальная интерпретация волновой функции, за которую Борн получил Нобелевскую премию по физике в 1954 году, выглядела так: квадрат длины стрелки часов в определенной точке соответствует вероятности нахождения в ней частицы. Например, если длина часовой стрелки, находящейся в определенном месте, равна 0, 1, то ее квадрат будет равняться 0, 01. Это значит, что вероятность найти в этом месте частицу будет составлять 0, 01, то есть одну сотую. Вы можете спросить, почему Борн просто не возвел в квадрат размеры циферблатов, чтобы в последнем примере длина стрелки часов сама приняла значение 0, 01? Но это не сработало бы из‑ за необходимости расчета интерференции: если сложить значения циферблатов, то 0, 01 плюс 0, 01 даст 0, 02, в то время как сложение 0, 1 и 0, 1 и последующее возведение суммы в квадрат даст 0, 04.

Эту ключевую для квантовой теории идею можно проиллюстрировать еще одним примером. Допустим, мы делаем с частицей нечто, из‑ за чего она может быть описана с помощью конкретного множества циферблатов. Допустим также, у нас есть прибор, способный измерять местоположение частиц. Такое легко вообразимое, но не так уж легко конструируемое устройство может представлять собой, например, небольшой ящичек, который легко водрузить в любой области пространства. Если теория говорит, что шансы найти частицу в определенной точке равны 0, 01 (потому что длина стрелки часов в этой точке составляет 0, 1), то, устанавливая наш ящичек вблизи этой точки, мы имеем 0, 01 вероятности найти в ящике нужную частицу. Это значит, что на самом деле вряд ли в ящике что‑ то окажется. Однако если воссоздать эксперимент так, чтобы частица снова описывалась тем же самым набором циферблатов, повторять его можно сколько угодно раз. И теперь из каждых 100 наших заглядываний в ящичек мы в среднем один раз будем обнаруживать в нем частицу – остальные 99 раз ящичек будет пуст.

Интерпретация квадрата длины часовой стрелки как вероятности найти частицу в определенном месте на вид не так уж сложна, но действительно кажется, что мы (или, точнее говоря, Макс Борн) взяли ее с потолка. На самом деле в исторической перспективе оказалось, что даже таким величайшим ученым, как Эйнштейн и Шрёдингер, было трудно принять подобное толкование. Через 50 лет после лета 1926 года Поль Дирак вспоминал: «Проблема правильного истолкования оказалась гораздо сложнее, чем просто вывести уравнения». Несмотря на всю эту сложность, стоит отметить, что к концу 1926 года спектр света, испускаемого атомом водорода, который стал одной из величайших загадок физики XIX века, уже вычислили с помощью уравнений как Гейзенберга, так и Шрёдингера (Дирак со временем доказал, что оба этих подхода во всех случаях совершенно эквивалентны).

Известны возражения Эйнштейна против вероятностной природы квантовой механики, которые он в декабре 1926 года высказал в письме к Борну: «Теория говорит очень много, но на деле не приближает нас к тайне Старика. В любом случае я убежден, что Он не играет в кости». Проблема в том, что до этого времени считалось, будто физика имеет полностью детерминистский характер. Конечно, идея вероятности характерна не только для квантовой теории. Она регулярно применяется во множестве ситуаций – от ставок на бегах до термодинамики, которой занимались лучшие умы еще в Викторианскую эпоху. Но причиной использования этих вероятностей были не фундаментальные законы, а как раз недостаток знаний о соответствующей сфере.

Возьмем подбрасывание монетки – архетипическую игру случая. Все мы знакомы с вероятностью в этом контексте. Если мы подбросим монетку 100 раз, можно ожидать, что в среднем 50 раз выпадет орел и 50 раз решка. До квантовой теории мы обязаны были бы сказать, что, обладая всеми необходимыми данными о монете – о точном способе ее подбрасывания в воздух, силе притяжения, о воздушных потоках, проходящих через комнату, температуре воздуха и т. д., – мы могли бы в принципе предсказать, что выпадет – орел или решка. Появление вероятностей в этом контексте, таким образом, можно считать отражением недостатка знаний о системе, а не чем‑ то внутренне присущим самой этой системе.

Вероятности в квантовой теории имеют совершенно иную природу; они фундаментальны. Мы можем предсказать лишь вероятность появления частицы в определенном месте, и не потому, что мы невежественны. Мы даже в принципе не можем предсказать, каково будет положение частицы. Что мы можем предсказать, да еще и с абсолютной точностью, так это вероятность того, что частица окажется в определенном месте, если мы будем ее там искать. Более того, мы с абсолютной точностью можем предсказать, как эта вероятность изменится со временем. Борн прекрасно высказался об этом еще в 1926 году: «Частицы движутся по законам вероятности, но сама вероятность распространяется по закону причинности». Именно об этом идет речь и в уравнении Шрёдингера: оно позволяет точно вычислить, как будет выглядеть волновая функция в будущем, если знать ее вид в прошлом. В этом смысле оно аналогично законам Ньютона. Разница в том, что если законы Ньютона позволяют вычислить положение и скорость частиц в любое конкретное время в будущем, то квантовая механика позволяет вычислить лишь вероятность того, что они будут находиться в определенном месте.

Именно такое падение предсказательной силы и беспокоило Эйнштейна и многих его коллег. Сейчас, с высоты восьмидесяти прошедших лет и после огромного объема проделанной работы спорить по этому поводу кажется несколько бессмысленным: легко заявить, что Борн, Гейзенберг, Паули, Дирак и еще кое‑ кто были правы, а Эйнштейн, Шрёдингер и другие представители старой гвардии ошибались. Но в то время казалось вполне разумным полагать, что квантовая теория просто еще не завершена и что вероятности возникают, как в термодинамике или при подбрасывании монеты, потому что мы упускаем какую‑ то информацию о частицах. Сегодня у этой идеи мало сторонников: теоретические и экспериментальные данные свидетельствуют, что природа действительно имеет дело со случайными числами и отсутствие возможности предсказывать положение частицы как несомненный факт – это внутреннее свойство физического мира: вероятности – это лучшее, на что мы можем рассчитывать.