Сначала только свету приписывалось такое странное свойство – быть одновременно и волной, и частицей. Вещество же рассматривалось как система обычных точечных частиц. В 1923 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности дуализма волна—частица. Согласно этому предположению не только фотоны, но и электроны, а также любые другие частицы обладают волновыми свойствами. И это касается как микроскопически малых атомов и молекул, так и любых других окружающих нас макроскопических объектов.
Основным признаком волн является их способность интерферировать, то есть складываться и вычитаться. Другими словами, если вещество обладает волновыми свойствами, то для него должны наблюдаться явления дифракции (огибание волнами встречающихся на пути препятствий) и интерференции (сложения и вычитания волн).
Прямое экспериментальное доказательство того, что электроны могут дифрагировать и интерферировать, было получено в 1927 году в опытах Клинтона Дэвиссона и Лестера Джемера, а также, независимо от них, в экспериментах Джорджа Томсона. В настоящее время экспериментаторы наблюдают интерференцию и других частиц, вплоть до молекул. Так, в 2003 году в Институте экспериментальной физики Венского университета была впервые обнаружена квантовая интерференция органических молекул биологического происхождения C4444H3 0N4, содержащих 44 атома углерода, 30 атомов водорода и 4 атома азота. В связи с этими экспериментами возникает вопрос: возможна ли квантовая интерференция живых существ?
После выдвижения де Бройлем гипотезы об универсальности дуализма волна—частица и экспериментального подтверждения наличия у частиц вещества волновых свойств возникли новые принципиальные проблемы. Стало необходимым совместить волновую природу частиц с привычными представлениями о размещении (локализации) частиц в пространстве.
Как уже говорилось, квантовые объекты существенно отличаются от классических. Достаточно ярко это отличие видно при прохождении пучка частиц через экран с двумя щелями. Когда на щели налетают классические частицы, то каждая проходит заведомо лишь через какую-то одну щель и на экране четко видны две независимые области попадания пролетевших частиц. Применительно к квантовым объектам положение оказывается иным. Квантовые частицы (например, электроны) одновременно проходят через обе щели, причем этот процесс описывается вероятностными методами. Явление интерференции электронов приводит к тому, что на экране наблюдается картина, характерная для прохождения волн, – с большим количеством максимумов и минимумов интенсивности. Квантовые частицы (каждая из них) как бы «чувствуют» наличие обеих щелей. Происходит не сложение волн различных квантовых частиц, прошедших через разные щели, а интерференция волны каждой из квантовых частиц на обеих щелях.
Для того чтобы рассчитывать такие явления, квантовую частицу стали характеризовать не точными значениями координат и импульсов, а некоторой пси-функцией – эта комплексная волновая функция позволяет описывать свойства частиц и определять вероятности тех или иных событий. Уравнение Шредингера, которому подчиняется эта функция, является линейным дифференциальным уравнением, и в этом плане поведение самой пси-функции вполне вычислимо и предсказуемо в отличие от поведения описываемых ею квантовых объектов.
Одной из основ квантовой механики является так называемый принцип суперпозиции (наложения). Согласно этому принципу если есть несколько состояний, отвечающих различным волновым функциям, то существуют состояния, описываемые линейными комбинациями этих функций.
Рассмотрим умозрительный эксперимент с так называемым «котом Шредингера», проясняющий принцип суперпозиции. Кота помещают в коробку. В ней, кроме кота, находится капсула с ядовитым газом (или бомба), которая может взорваться с 50-процентной вероятностью благодаря радиоактивному распаду атома плутония или случайно залетевшему кванту света. Через некоторое время коробка открывается и выясняется, жив кот или нет. До тех пор пока коробка не открыта (не произведено измерение), кот пребывает в суперпозиции двух состояний: «живой» и «мертвый». Описывая с помощью волновых функций всю систему (коробку), включая кота, Эрвин Шредингер в 1935 году пришел к парадоксальному выводу. Состоял он в том, что наряду с состояниями, отвечающими живому или мертвому коту, согласно квантовой механике, существует и суперпозиция этих состояний. Другими словами, должно существовать состояние, когда кот «ни жив, ни мертв» (или, если хотите, – жив и мертв одновременно). Применительно к окружающим нас объектам такая ситуация выглядит странновато. Однако для элементарных частиц нахождение одновременно в двух, казалось бы, взаимоисключающих состояниях совершенно естественно.
Недавно группа Джонатана Фридмана из Нью-Йоркского университета получила одно из доказательств того, что законам квантовой теории подвластны не только элементарные частицы, но и макроскопические объекты. Ученые показали, что примерно так же, как кот Шредингера, может вести себя электрический ток в сверхпроводящем кольце. Исследователи добились такого состояния сверхпроводящего кольца, при котором ток по нему тек одновременно и по часовой, и против часовой стрелки.
Одним из важнейших понятий квантовой теории поля является представление о вакууме. Физический вакуум не пустое место. Если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение и рождение частиц – квантов этого поля.
Открытие универсальности дуализма волна—частица для всего микромира привело к пониманию того, что противопоставление понятий «частица» и «волна» не совсем оправданно. Квантовые объекты должны описываться более фундаментальными понятиями, а представления о «частице» и «волне» лишь в некоторой степени отражают объективную реальность окружающего нас мира.
Классические частицы движутся по определенным траекториям. Если точно известны координаты и импульсы частицы в начальный момент времени, то можно определить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени.
Электрон, протон, нейтрон и другие элементарные частицы принципиально отличаются от таких классических объектов, как, например, дробинка или шарик для пинг-понга. Одно из основных различий заключается в том, что квантовая частица движется не по траектории. При этом неправомерно говорить об одновременных значениях ее координаты и импульса. В этом и состоит принцип неопределенности, установленный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Соотношение неопределенности подчеркивает принципиальное различие в описании состояния системы в классической и квантовой физике. Состояние классической частицы можно описывать с помощью точного задания координат и импульсов. Для квантовой частицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения. При этом квантовая механика позволяет установить, какие из физических величин, характеризующих систему, могут иметь одновременно определенные значения, а какие нет.
Диапазон применения квантовой механики удивительно широк. Ей подчиняется огромное число явлений и процессов—деление атомных ядер и образование нейтронных звезд, форма химических соединений и структура спирали ДНК, работа полупроводниковых диодов, транзисторов и лазеров.
Для понимания законов квантового мира нельзя опереться на повседневный опыт. Частицы ведут себя как классические только в том случае, если мы постоянно «подглядываем» за ними, или, говоря более строго, непрерывно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам «отвернуться» (прекратить наблюдение), как квантовые частицы переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных состояний. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично – в другой, частично – в третьей и так далее. И это вовсе не означает, что он делится на части – в противном случае какую-нибудь часть электрона можно было бы изолировать и измерить ее заряд или массу. Опыт же показывает, что после измерения электрон всегда оказывается «целым и невредимым» в одной-единственной точке, несмотря на то, что до этого успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называемое суперпозицией квантовых состояний, описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Эрвином Шредингером. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается в ту точку, где частица была обнаружена, а затем, после измерения, опять начинает расплываться.