Слово «квантовый» давно вышло за пределы физики. Им называют методики оздоровления, психологические тренинги и даже средства для мытья посуды. Между тем квантовая механика — одна из самых точных и проверенных научных теорий. Она действительно говорит о мире странные вещи, но это вполне определённые странности, и за их пределы выходить не стоит.
С чего всё началось
На рубеже XIX и XX веков физики столкнулись с задачами, которые не решались привычными способами. В 1900 году Макс Планк, пытаясь описать излучение нагретых тел, вынужден был предположить, что энергия испускается не непрерывно, а порциями — квантами. Через несколько лет Альберт Эйнштейн объяснил тем же способом, почему свет выбивает электроны из металла. В 1913 году Нильс Бор применил идею порций к атому, а в середине 1920-х годов Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и их коллеги построили законченную теорию.
С тех пор её проверяли в бесчисленных опытах, и расчёты сходятся с измерениями с очень высокой точностью.
Что теория утверждает
- Некоторые величины меняются скачками. Электрон в атоме может иметь только определённые значения энергии. Поэтому каждый химический элемент излучает свет своих, строго определённых цветов — по ним астрономы узнают состав далёких звёзд.
- Частицы обладают волновыми свойствами. Электроны, пропущенные через две узкие щели, дают на экране чередование полос — картину, характерную для волн. При этом каждый электрон регистрируется в одной точке, как частица.
- Предсказания носят вероятностный характер. Теория не говорит, когда именно распадётся данный атом, но точно указывает, какая доля атомов распадётся за заданное время.
- Есть предел одновременной точности. Согласно принципу неопределённости, чем точнее задано положение частицы, тем менее определённа её скорость, и наоборот. Это свойство самой природы, а не недостаток приборов.
Чего теория не утверждает
Вокруг квантовой механики накопилось немало толкований, которые к ней отношения не имеют.
«Сознание наблюдателя создаёт реальность». В физике «наблюдение» или «измерение» означает взаимодействие частицы с прибором или просто с окружающей средой. Человек с его мыслями для этого не нужен: фотопластинка или счётчик срабатывают одинаково, смотрит на них кто-нибудь или нет.
«Всё возможно, раз всё вероятностно». Вероятности в теории вычисляются строго. Для крупных тел квантовые эффекты усредняются настолько, что стол остаётся столом, а мяч летит по обычной траектории. Причина — непрерывное взаимодействие большого тела с воздухом, светом, теплом, которое разрушает хрупкие квантовые состояния за ничтожные доли секунды.
«Мыслью можно влиять на материю на квантовом уровне». Ни один опыт этого не показал. Сходство слов «энергия», «поле», «волна» в физике и в бытовой речи обманчиво: в физике это измеряемые величины с точными определениями.
Кот Шрёдингера — не про кота
Знаменитый мысленный опыт с котом, который будто бы одновременно жив и мёртв, Шрёдингер придумал не как описание реальности, а как возражение. Он хотел показать, что прямой перенос правил микромира на большие предметы приводит к нелепости, и, значит, в понимании теории чего-то не хватает. Вопрос о том, как именно из квантовых вероятностей получается однозначный привычный мир, обсуждается физиками до сих пор. Но спор идёт о толковании; на предсказаниях для опытов он не сказывается.
Где это работает
Квантовая механика — не экзотика, а основа техники. Без неё нельзя было бы создать транзисторы, а значит, компьютеры и телефоны. На квантовых переходах в атомах работают лазеры и атомные часы. Магнитно-резонансная томография использует квантовые свойства атомных ядер. Сама химия — почему атомы соединяются в молекулы так, а не иначе — объясняется квантовыми законами.
Теория удивительна и без добавлений. Она говорит, что мир в своей основе устроен не так, как подсказывает повседневный опыт, и при этом позволяет рассчитывать его с высокой точностью. Когда же слово «квантовый» используют, чтобы придать вес утверждению, далёкому от физики, полезно спросить: какой именно опыт это подтверждает?
