Квантовая механика: наука о неопределенности

Квантовая механика — физическая теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (молекул, атомов, атомных ядер, элементарных частиц). Согласно квантовой теории, при движении элементарных частиц всякая энергия испускается и поглощается только определенными порциями — квантами.

Квантовые поля — системы с бесконечным числом степеней свободы

В основе квантовой механики лежит корпускулярно-волновой дуализм. Он утверждает, что любой материальный объект одновременно проявляет свойства и частицы (корпускулы), и волны. Волновыми свойствами обладают клетка, камень, стол, человек и т.д. Но в макромире — нашем привычном мире — эти свойства не видны явно. А вот в микромире они проявляются очень ярко. Учет этих свойств вынуждает отказываться от привычных представлений о том, что частицы движутся по определенным траекториям.

Поэтому в квантовой механике действует принцип неопределенности, сформулированный немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Он утверждает, что невозможно одновременно точно определить и скорость, и координаты частицы. Чем с большей точностью определяешь координаты, тем с меньшей определяется скорость, и наоборот. Этот принцип справедлив не только для скорости и координат, но и для других параметров.

Принцип неопределенности приводит к тому, что объекты квантового микромира описываются не так, как объекты обычного, ньютоновского, макромира. Для них применяются не пространственные координаты и скорость, а так называемая волновая функция. Частицы при этом становятся подобны отдельным приливным волнам, которые распространяются в пространстве.

В микромире всякая частица является одновременно волной, и измерить с одинаковой точностью ее скорость и координаты нельзя

Иногда принцип неопределенности формулируют так: наблюдение за событием меняет само событие. Действительно, когда измеряешь координаты электрона, запуская в него фотоном, его координаты смещаются. А когда в макромире измеряешь, например, расстояние между двумя домами, то воздействием измерительного прибора можно пренебречь. Однако принцип неопределенности говорит все же о другом — о параллельном измерении двух параметров и том, как измерение одного параметра влияет на измерение другого.

Кот Шрёдингера

Физик Эрвин Шрёдингер поставил мысленный эксперимент с котом, чтобы доказать неполноту квантовой теории при переходе к макроскопическим системам. Эксперимент состоит в следующем. Кота помещают в ящик, где имеются атомное ядро и емкость с ядовитым газом. Если ядро распадается, емкость открывается и кот погибает.

Вероятность распада ядра — 50%. Согласно квантовой механике, имеет место суперпозиция состояний. Ядро и кот находятся в двух состояниях одновременно. Ядро и распалось, и не распалось, кот и жив, и мертв. Но для макроскопического объекта — кота — такая суперпозиция невозможна. Определенность наступает при наблюдении за событием.