Законы квантового мира: почему электрон находится во всех местах сразу

Мы живем в мире, который регулируется законами классической механики. Вероятность того или иного события определяется факторами, которые могли бы на него повлиять. И знание этих факторов дает нам точное предсказание события. Но в квантовом мире не существует точных предсказаний - лишь гипотезы и вероятности.

Классическая механика успешно описывает законы изменения положений тел в пространстве и причины, вызывающие эти изменения. Но отдельные частицы (электроны, кварки), а также атомы и молекулы не подчиняются законам классической механики. Они живут по законам квантового микромира.

Электроны являются частью атомов, то есть входят в состав окружающей нас материи. Несмотря на возможность управления электронами и использования различных их свойств, на квантовом уровне эти частицы хранят немало загадок. В 1920-х годах ученые показали, что электрон - это не только частица, но и волна.

Данная гипотеза была доказана при исследовании рассеяния электронов. Их пропускали через две щели, сквозь которые они могли попадать на фосфоресцирующий экран, оставляя на нем светящиеся точки. Оказалось, что отдельные электроны каким-то образом взаимодействуют сами с собой в том смысле, что с течением времени они воссоздают интерференционную картину, которая ассоциируется с волнами.

Итак, эксперимент доказал, что электроны подобны волнам. Но волнам чего? В 1920-х годах было высказано предположение, что эта волна представляет собой размазанный электрон. Но ведь электрон - не картофельное пюре, которое можно распределить по тарелке. Поэтому немецкий физик Макс Борн уточнил интерпретацию электронной волны, и мы пользуемся его определением по сей день. Утверждение Борна кажется немыслимым, но тем не менее подтверждается огромным количеством экспериментальных данных.

Согласно этому утверждению, электронная волна должна интерпретироваться с точки зрения вероятности. В тех областях, где амплитуда (или, точнее, квадрат амплитуды) волны больше, шанс обнаружить электрон выше, чем там, где амплитуда меньше. Эта вероятностная волна называется волновой функцией. И пока мы не измерим тем или иным методом местонахождение электрона, то не можем с точностью сказать, где он. Мы можем только рассчитать вероятность его локализации в той или иной точке. Правда, есть небольшая проблема - невозможно определить местоположение электрона, не изменив его локализацию.

Но на этом странности квантового мира не заканчиваются. Физик Ричард Фейнман развил теорию, полученную при помощи эксперимента с пропусканием электронов через две щели. Ученый предположил, что каждый электрон, который проходит через преграду и попадает на фосфоресцирующий экран, проходит через обе щели. Фейнман высказал утверждение, что на отрезке от источника до некоторой точки на фосфоресцирующем экране каждый отдельно взятый электрон на самом деле перемещается по всем возможным траекториям одновременно.

Электрон одновременно проходит и правую, и левую щель. Он отправляется в путешествие на Луну, там разворачивается, возвращается назад и проходит через левую (и правую) щель на пути к экрану. Согласно теории Фейнмана, электрон одновременно движется по всем возможным путям, соединяющим пункт отправления и пункт назначения.

Фейнман доказал, что каждому из этих путей можно поставить в соответствие некоторое число. И среднее этих чисел даст значение вероятности, полученное с использованием волновой функции.

Это кажется невозможным, но результаты расчетов с использованием фейнмановского подхода согласуются с результатами, полученными с применением метода волновых функций, которые, в свою очередь, соотносятся с экспериментальными данными.

Фейнман доказал, что для движения больших тел все траектории, кроме одной, взаимно сокращаются при суммировании их вкладов. И остается именно та траектория, которая следует из ньютоновских законов движения. Интерференционная картина и фейнмановская формулировка квантовой механики не только не противоречат, но и поддерживают друг друга.

Так работает квантовая механика - ее можно оъяснить с помощью математических методов, но уловить ее законы интуитивно наш разум не способен. Квантовый мир таит в себе немало сюрпризов, и, возможно, его изучение поможет нам постичь законы Вселенной.