Теоретически физика микромира проработана особенно тщательно. В основу данной области науки легла квантовая механика, которая предоставляет широкие возможности для математического моделирования. И когда на смену человеку рисующему пришел компьютер считающий, ученые получили поистине фантастический простор для создания картины невидимой ранее реальности.
За последние 15 лет компьютерное моделирование вышло на новый уровень. Программное обеспечение заметно эволюционировало в плане мощности и простоты обращения, графический интерфейс стал гораздо дружелюбнее к пользователю. Если раньше численное моделирование было немыслимо без привлечения профессиональных вычислителей и программистов, то появившиеся сейчас математические пакеты (Mathcad, Matlab, Mathematica и др.) позволяют физикам осуществлять расчеты самостоятельно. К этому стоит добавить создание мощных средств визуализации. Современная компьютерная графика и анимация позволяют рассчитать и нарисовать на экране монитора сцены из жизни микромира.
Образы, основанные на уравнениях Шредингера и Дирака, сродни работам абстракционистов — захватывающие, противоречивые и совершенно непонятные. Там нет ничего похожего на
предметы нашего повседневного мира. Обыденный язык бесполезен для описания этих картин, впрочем, как и для объяснения квантовой механики. Пока ученые сами не понимают, что же они видят на экране: реальные объекты или фантазии. Это дает некий повод назвать компьютерное моделирование искусством.
Кружение электронов в нанопроволочке (толщиной порядка 10-9 метра). Подобные устройства планируют применять в электронике, и при столь малых размерах волновая природа частиц становится существенной: она может улучшить или ухудшить работу микросхемы. На этом рисунке поток электронов начинается от «солнца» — места контакта проводников. Волновую природу электронов художник показал игрой цвета
Во многом непонятность и загадочность квантовомеханических картин проистекает из положения дел в современной физике, пока не прояснившей до конца природы элементарных частиц. Гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме частиц вещества впервые в 1924 году выдвинул французский ученый Луи де Бройль. Он утверждал, что электроны, атомы и их более сложные сочетания могут проявлять одновременно два свойства: быть волной и частицей. С одной стороны, электроны и атомы ведут себя как частицы: поглощаются и испускаются поштучно, обладают скоростью и импульсом. Но с другой — для них характерны признаки волнового процесса: дифракция и интерференция. В одних условиях проявляются их волновые свойства, в других — корпускулярные.
Эксперименты вскоре подтвердили идею де Бройля, и всем стало ясно, что дуализм — неотъемлемое свойство нашей Вселенной и его следует принять как реальный факт. Кстати, и большим телам можно приписать волну де Бройля, так что журнал, который вы держите в руках, в то же время — немного волна с определенной длиной. Только его волновые свойства могут проявиться на очень малых расстояниях, несоизмеримых с нашими возможностями.
Молекулы сталкиваются всегда и везде. Компьютерная модель изображает этот процесс изнутри: цветными нитями обозначены траектории отдельных атомов, входящих в состав молекул. Частицы летят сверху, сталкиваются в центре и разлетаются вниз, обменявшись энергией и импульсом
Венцом квантовой механики стало знаменитое уравнение, выведенное, а точнее будет сказать, угаданное, австрийцем Эрвином Шредингером в 1926 году. В подобную удачу до сих пор трудно поверить, настолько она невероятна. Уравнение Шредингера само по себе очень сложное, кроме того, у фигурирующей в нем неизвестной пси-функции физическим смыслом обладает лишь ее квадрат. Однако оно имеет фундаментальный характер, описывая свойства частиц, из которых состоит материя: атомов, электронов, протонов, нейтронов. С тех пор разделение всего сущего на частицы и волны потеряло актуальность, коль скоро частицы вещества оказались «немного волнами», а излучение— «немного частицами». Это уравнение описывает массу частных случаев в микромире. Например, состояние связанных электронов в атомах или прохождение свободных электронов через электрическое поле. К тому же уравнение предсказывает необычную форму «орбит» электронов в атомах — в виде облаков, имеющих к тому же волновую структуру. Но жизнь электронных облаков, кружащихся вокруг атомных ядер, принципиально отличается от явлений классической механики, к которым мы привыкли. Здесь уже нельзя говорить об определенной траектории движения частицы. Ее состояние описывают посредством волновой функции, определяющей вероятность обнаружения частицы в той или иной точке пространства, что, собственно, и есть решение уравнения Шредингера. Электроны вроде как «размазаны» внутри атома, причем невозможно в конкретный момент точно определить их скорость и местоположение.
