"Якщо запитають, чи постійно його становище, потрібно сказати" ні ", якщо запитають, чи змінюється воно з часом, потрібно сказати" ні ". Якщо запитають, чи він нерухомий, потрібно сказати "ні", якщо запитають, чи рухається він, потрібно сказати "ні" ". Парадокси квантової механіки дуже важкі для сприйняття, схожі на містичні одкровення, і ці слова Роберта Оппенгеймера про поведінку електрона цілком могли бути сказані Лао Цзи за дві з половиною тисячі років до появи сучасної фізики.
Введення. Принципова складність розуміння квантової теорії
Складно уявити, як виглядала б наша цивілізація без класичної фізики і математики. Поняття про абсолютну «об'єктивну реальність, що існує незалежно від нашої свідомості», про тривимірний євклідовий простір і рівномірно поточному часу настільки глибоко вкоренилися у свідомості, що ми не помічаємо їх. А головне, відмовляємося помічати, що принципи квантової фізики застосовні лише в деяких рутинних ситуаціях і для пояснення устрою Всесвіту виявляються просто невірні.
Хоча щось подібне вже століття тому висловлювалося східними філософами і містиками, у західній науці вперше про це заговорив Ейнштейн. Це була революція, яку наша свідомість не прийняла. Зі поблажливістю ми повторюємо: «все відносно», «час і простір єдині», - завжди тримаючи в розумі, що це допущення, наукова абстракція, що має мало спільного з нашою звичною стійкою дійсністю. Насправді ж якраз наші уявлення слабо співвідносяться з дійсністю - дивовижною і неймовірною.
Мова математики сувора, але мало співвідноситься з нашим безпосереднім сприйняттям
Після того як у загальних рисах було відкрито будову атома і запропонована його «планетарна» модель, вчені зіткнулися з безліччю парадоксів, для пояснення яких з'явився цілий розділ фізики - квантова механіка. Вона швидко розвивалася і далеко просунулася в поясненні Всесвіту. Але пояснення ці настільки складні для сприйняття, що досі мало хто може усвідомити їх хоча б у загальних рисах.
Дійсно, більшість досягнень квантової механіки супроводжуються настільки складним математичним апаратом, що він просто не перекладається на жодну з людських мов. Це є однією з проблем квантової фізики в цілому математика, як і музика, предмет вкрай абстрактний, і над адекватним виразом сенсу, наприклад, згортання функцій або багатовимірних рядів Фур'є вчені б'ються досі. Мова математики сувора, але мало співвідноситься з нашим безпосереднім сприйняттям.
Крім того, Ейнштейн математично показав, що наші поняття часу і простору ілюзорні. Насправді простір і час нероздільні і утворюють єдиний чотиримірний континуум. Уявити його навряд чи можливо, адже ми звикли мати справу тільки з трьома вимірами.
З нашим тривимірним розумом навряд чи можливо уявити чотиримірний континуум простору-часу
Планетарна теорія. Хвиля або частинка
До кінця XIX століття атоми вважалися неподільними «елементами». Відкриття радіації дозволило Резерфорду проникнути під «оболонку» атома і сформулювати планетарну теорію його будови: основна маса атома зосереджена в ядрі. Позитивний заряд ядра компенсується негативно зарядженими електронами, розміри яких настільки малі, що їх масою можна знехтувати. Електрони обертаються навколо ядра по орбітах, подібно обертанню планет навколо Сонця. Ця теорія квантової фізики досить красива, але вона має ряд парадоксів.
По-перше, чому негативно заряджені електрони не «падають» на позитивне ядро? По-друге, в природі атоми стикаються мільйони разів на секунду, що нітрохи не шкодить їм - чим пояснити дивовижну міцність всієї системи? Говорячи про одного з «батьків» квантової механіки Гейзенберга, «жодна планетна система, яка підкоряється законам механіки Ньютона, ніколи після зіткнення з іншою подібною системою не повернеться в свій вихідний стан». Крім того, розміри ядра, в якому зібрана практично вся маса, в порівнянні з цілим атомом надзвичайно малі. Можна сказати, що атом - порожнеча, в якій з шаленою швидкістю обертаються електрони. При цьому такий «порожній» атом постає як досить тверда частинка. Пояснення цьому явищу виходить за рамки класичного розуміння. Насправді на субатомному рівні швидкість частинки зростає тим більше, чим більше обмежується простір, в якому вона рухається. Так що чим ближче електрон притягується до ядра, тим швидше він рухається і тим більше відштовхується від нього. Швидкість руху настільки велика, що «з боку» атом «виглядає твердим», як виглядають диском лопаті вентилятора, що обертається.
Дані, що погано вкладаються в рамки класичного підходу - парадокси квантової фізики - з'явилися задовго до Ейнштейна. Вперше подібна «дуель» відбулася між Ньютоном і Гюйгенсом, які намагалися пояснити властивості світла. Ньютон стверджував, що це потік частинок, Гюйгенс вважав світло хвилею. В рамках класичної фізики примирити їхні позиції неможливо. Адже для неї хвиля - це передається збудження частинок середовища, поняття, застосоване лише для безлічі об'єктів. Жодна з вільних частинок не може переміщатися по хвилеподібній траєкторії. Але ось у глибокому вакуумі рухається електрон, і його переміщення описуються законами руху хвиль. Що тут збуджується, якщо немає ніякого середовища? Квантова фізика пропонує соломонове рішення: світло є одночасно і частинкою, і хвилею.
Ймовірнісні електронні хмари. Будова ядра і ядерні частинки
Поступово ставало все більш ясно: обертання електронів орбітами навколо ядра атома абсолютно не схоже на обертання планет навколо зірки. Володіючи хвильовою природою, електрони описуються в термінах ймовірності. Ми не можемо сказати про електрону, що він знаходиться в такій-то точці простору, ми можемо тільки описати приблизно, в яких областях він може перебувати і з якою ймовірністю. Навколо ядра електрони формують «хмари» таких ймовірностей від найпростішої шароподібної до вельми химерних форм, схожих на фотографії привидів.