Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [25]
Электроны могут перескакивать с одного энергетического уровня на другой, испуская или поглощая соответствующее количество энергии. Испустив квант электромагнитной энергии (фотон), в точности равный разности энергий между двумя состояниями, они могут опуститься на более низкий уровень. Точно так же, поглотив фотон с соответствующей энергией, они могут подняться на более высокий уровень.
Итак, субмикроскопический мир, в масштабе атомов и мельче, ведет себя совсем по-иному, нежели мир, который мы наблюдаем невооруженным глазом. Когда мы описываем динамику чего-то вроде маятника или теннисного мячика, велосипеда или планеты, мы имеем дело с системами, состоящими из триллионов атомов, которые очень далеки от квантового мира. Это позволяет нам изучать то, как ведут себя эти предметы, в терминах классической механики и ньютоновских уравнений движения, решение которых дает нам данные о точном местоположении предмета, энергии или движении, причем все эти данные можно получить одновременно для каждого момента времени.
Но если мы хотим исследовать материю в квантовых масштабах, придется пренебречь механикой Ньютона и пользоваться совершенно иным математическим аппаратом квантовой механики. В общем случае нам пришлось бы решить уравнение Шредингера и рассчитать величину, называемую волновой функцией, которая характеризует не то, каким образом отдельная частица движется по определенной траектории, а то, как развивается во времени соответствующее квантовое состояние. Волновая функция может характеризовать состояние отдельной частицы или группы частиц, которое дает нам возможность, например, найти электрон с определенным набором свойств или местоположением в пространстве, если бы нам надо было это свойство измерить.
Часто ошибочно считают, что, поскольку волновая функция имеет одно значение более чем в одной точке пространства, сам электрон в те моменты, когда мы не замеряем его параметры, физически «размазан» в пространстве. Однако квантовая механика не говорит нам о том, чем занимается электрон, когда мы на него не смотрим, – она говорит только о том, чего можно ожидать, когда мы на него наконец посмотрим. Если это утверждение вас не вдохновляет, то в этом вы не одиноки. Оно и не имеет целью вдохновить вас (или наоборот); это просто утверждение, которое среди физиков, по счастью, не вызывает разногласий.
Существует множество различных способов понимания явлений квантового мира. Они известны как интерпретации квантовой механики, а споры между защитниками различных взглядов не утихают все время и вряд ли когда-нибудь угаснут.
Что все это значит
Несмотря на потрясающие достижения квантовой механики, если немного внимательнее взглянуть на то, что мы узнаем о микрокосме, можно легко сойти с ума. Мы спрашиваем себя: «Ну как же так? Может, что-то до меня просто не доходит?» По правде говоря, никто этого наверняка не знает. Мы даже не знаем, может ли еще что-то до нас «дойти». Физики обычно употребляют для описания квантового мира термины вроде «странный», «причудливый» или «контринтуитивный». Ибо, несмотря на то что сама теория поразительно точна и логична с математической точки зрения, все ее численные величины, символы и прогностическая сила – всего лишь фасад, за которым скрывается реальность, и с ней нам чрезвычайно трудно согласовать наш опыт и здравый взгляд на окружающий мир.
Однако из этого тупика есть выход. Поскольку квантовая механика так замечательно объясняет субатомный мир и поскольку она построена на таком совершенном и мощном математическом основании, оказывается, что мы вполне можем с ней справиться, если узнаем, как пользоваться ее правилами в прогностических целях и использовать этот мир для разработки новых технологий, пусть даже философы в отчаянии заламывают руки и неодобрительно качают головами. В конце концов, ноутбук, на котором я сейчас печатаю этот текст, не появился бы на свет, если бы на основе квантовой механики не возникла современная электроника. Но когда мы посмотрим на вещи с прагматической точки зрения, придется принять, что сами мы становимся не более чем элементом квантовой механики – практиками и лаборантами, которые не обращают внимания на то, как и почему квантовый мир ведет себя таким образом, а просто принимают его как есть и двигаются дальше. А я всеми фибрами своей души чувствую, что для физиков это должно быть по-другому. Разве их главной задачей не является объяснение мира? Квантовая механика без интерпретации уравнений и символов является просто математическим аппаратом, который позволяет рассчитать и прогнозировать результаты экспериментов. Этого недостаточно. Физика должна показывать, как результаты опытов объясняют реальный мир.
