Квантовая механика

Ничтожный размер атомов означает, что мы вступили в мир новой физики, где знакомые законы могут оказаться неверными. В самом деле, если атомы, из которых состоит твердая материя, — это в основном пустота, то мы сами и все вокруг нас также пустота. Почему же в таком случае мы не можем пройти сквозь стену или не проваливаемся на нижний этаж?

Эти и множество других явлений говорят о том, что атомы не похожи на привычные для нас частицы и тела, для описания которых годится механика Ньютона. Атом, как и составляющие его частицы — электроны, протоны и нейтроны, — обитатели странного, призрачного микромира. Там все устроено по-другому. Например, не существует сил в таком же виде, как в классической механике. Из-за этого понять микромир непросто.

Австрийский физик Эрвин Шрёдингер в 1926 г. вывел главное уравнение квантовой механики, носящее его имя. В нем электрон описывается не как точечная частица, движущаяся по линиям-траекториям. Его поведение задается так называемой волновой функцией f, зависящей от координат той области пространства, где находится электрон. А квадрат f² волновой функции позволяет вычислить вероятность обнаружения электрона в том или ином месте.

Альфа-распад ядра радиоактивного элемента. Ядро атома выбрасывает из себя альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов

Но самое важное и новое заключается в том, что в мире атомных частиц не существует такого понятия, как траектория частиц. Что такое траектория?

Это некий путь — линия, составленная из точек пространства, которые проходит частица в определенные моменты времени. Скажем, через 10 с после начала движения она находилась точно в точке А пространства. А вот в квантовой физике такое описание движения невозможно. Почему?

Физика — наука экспериментальная. Ум может воображать все, что ему вздумается, но физические величины надо измерять опытным путем. А опыт показывает, что невозможно точно вычислить положение частицы в пространстве. Чем большей точности пытаются достичь, тем энергичнее, то есть с большей скоростью, частица пытается «улизнуть» от экспериментатора. Иначе говоря, измерение скорости получается менее точным, в нем присутствует значительная неопределенность. И наоборот: чем точнее физик измерил скорость микрочастицы, тем менее точна полученная им информация о ее местоположении. Этот факт получил название принципа неопределенности Гейзенберга.

Сказанное относится ко всем процессам и измерениям в квантовой механике. Это означает, что невозможно точно предсказать, что произойдет в тех или иных условиях в атомном мире. Например, ядра определенных элементов, называемых радиоактивными, могут распадаться на части. Но даже ядра одного и того же такого элемента (абсолютно одинаковые!) разваливаются не одновременно.

Поскольку точные предсказания невозможны, физики научились описывать события в микромире, вычисляя их вероятность: какова вероятность того, что ядро распадется через 5 (10, 38...) с, через год; какова вероятность столкновения электрона с атомом и т. п. Так что квантовая физика — это вероятностный мир.