Квантовая механика

Квантовая механика

Примерно до 1900 г. и до появления квантовой механики материя считалась совокупностью воображаемых частиц. В механике Ньютона каждая частица в большей степени представляет собой математическое понятие, нежели реальность. Такая частица обладает массой и определенным положением в пространстве и времени, однако не имеет никакой протяженности в пространстве, никакого объема.

Исследования атомов породили новое отношение к частицам. Было обнаружено, что свойства частиц, например их положение в пространстве и времени, необходимо понимать в терминах вероятных положений. Теперь субатомные частицы были уже не простыми точками в четко определенных положениях, а скорее сущностями, которые имели определенную вероятность нахождения в данном положении в данное время.

Более того, их энергии не могли иметь любую величину, а были квантованными, то есть атомы поглощали и испускали энергию небольшими порциями, или квантами, как их называл Эйнштейн, которые могли иметь только определенную величину. Например, было обнаружено, что если атом нагревать, то испускаемое им излучение, в котором проявляется его энергия, имеет только определенные цвета или частоты. Примерно с 1905 г. энергия материи считается квантованной.

Физики все еще верили в законы движения Ньютона; они просто считали их верными только для макроскопической материи. Уравнение f = m х а достаточно хорошо описывает крупные объекты; в этом уравнении силаf масса m и ускорение а понимаются в терминах повседневной жизни. Но среди физиков больше не было согласия в отношении смысла математических уравнений, описывающих атомные явления. Эти уравнения, которые мы вскоре будем рассматривать, оказались полными мнимых чисел.

Для объяснения неожиданного поведения частиц в субатомном мире разрабатывались новые формулы, названные волновыми уравнениями. Новые волновые уравнения уже использовались ранее для описания всевозможных волн, например волн на воде океанов или озер. Однако, отчасти из-за мнимых чисел, никто точно не знает, что представляют собой волны в волновом уравнении для атомных событий.

До сих пор не существует согласия по поводу того, как из волновых уравнений возникает макроскопический мир наблюдения. Мюррей Гиллман так выражал недовольство физиков современным статусом квантовой механики.

Квантовая механика – это та загадочная, сбивающая с толку дисциплина, которую по-настоящему не понимает никто из нас, но которую мы умеем использовать. Насколько мы знаем, она превосходно описывает физическую реальность, но это, как сказал бы социолог, – «контринтуитивная дисциплина». Квантовая механика – это не теория, а скорее концептуальная схема, которой, как мы полагаем, должна соответствовать любая правильная теория. (1981)

Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман (Feynman, 1965. С. 127-128) добавляет: «Можно с уверенностью сказать, что квантовую механику не понимает никто». Я помню замечательные уроки Ричарда Фейнмана, начинавшего свои лекции по физике словами: «Мы не сумеем понять, что происходит с материей». Он имел в виду, что математическую формулу, описывающую основную структуру материи (волновые уравнения), невозможно непосредственно измерить, равно как нельзя точно измерить частицы, которые описывают эти волны.

Продолжающийся спор о теории квантовой физики напоминает мне историю, которую я слышал, будучи студентом в МИТ в начале 1960-х гг. В ней изображено современное состояние дел в квантовых исследованиях. Широко известный в 1930-х гг. математик Герман Вейль пригласил на вечеринку Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Эти два физика расходились во мнениях относительно интерпретации квантовой механики. Вейль устроил вечеринку в надежде объединить эти две школы физики. Но Эйнштейн и его ученики оставались на одной стороне комнаты, а Бор и его ученики – на другой. У них были две отдельных вечеринки в одной комнате.

Сегодня дела обстоят не намного лучше. Некоторые физики соглашаются с Эйнштейном в том, что квантовая механика неверна, что она слишком неопределенна или даже неправильна, так как ее законы не согласуются с наблюдаемым миром. Другие физики говорят, что неопределенность и противоречивость лежат в основе природы.

Этот конфликт хорошо известен и в психологии. Одни психологи утверждают, что в людях нет ничего загадочного, в то время как другие говорят, что люди непостижимы и никогда не смогут быть поняты.

Эти споры полезны, так как напоминают нам о том, что наши теории и интерпретации математики неполны. Можно с уверенностью сказать, что теории – это не истины. Теории – это умственные построения в отношении процессов, которые невозможно полностью постичь с помощью формулировок ОР. По мере того как в исследованиях открываются новые факты, теории преобразуются.