Луи де Бройль (средний ряд, седьмой слева)
Его полное имя – герцог Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, родился в Дьепе (Франция) в благородной семье. В 1924 году он написал удивительно оригинальную докторскую диссертацию на 70 страниц с названием «Исследования по теории квантов», в которой выдвинул принцип корпускулярно-волнового дуализма – и всего лишь через пять лет был удостоен Нобелевской премии по физике. Де Бройль представил свою теорию «пилотной волны», в которой частица сопровождается направляющей волной, в 1927 году на Сольвеевском конгрессе, но потом отказался от этой идеи. Она была вновь обнаружена в 1952 году и переформулирована американским физиком Давидом Бомом (1917–1992). Де Бройль сыграл важную роль в основании Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), Европейской организации по ядерным исследованиям в Женеве (Швейцария).
Макс Борн (средний ряд, восьмой слева)
Немецкий физик и математик Макс Борн (1882–1970) был удостоен в 1954 году Нобелевской премии по физике «за фундаментальные исследования по квантовой механике, в особенности за статистическую интерпретацию волновой функции», – работу, которой он занимался в Гёттингенском университете (Германия) 30 лет назад. В период своего пребывания там Борн также руководил многими из будущих светил области, например Гейзенбергом и Паули. Когда нацисты пришли к власти в 30-е годы XX века, Борн (будучи евреем) был отстранен от своего поста и уехал жить в Англию.
Нильс Бор (средний ряд, крайний правый)
Родившись в Копенгагене (Дания), Бор был первым из основоположников квантовой физики, кто поистине осознал философские проблемы, поставленные теорией, и принялся за их решение. Результаты его работы по-прежнему являются предметом споров. После оккупации Дании во время Второй мировой войны у Бора была знаменитая встреча с Гейзенбергом, ставшим главой немецкой ядерной программы. К 1943 году, находясь под угрозой ареста, он бежал в Швецию, а потом в Англию (как многие из пионеров квантовой физики, он был евреем), где присоединился к британской миссии Манхэттенского проекта. После войны Бор вернулся в Данию. В 1922 году он был удостоен Нобелевской премии по физике «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения».
Как может так хорошо работающая теория иметь такие странные основания?Большинство теорий построено на твердом фундаменте изначальных принципов – но не квантовая. На ее создание вдохновила уходящая корнями в реальный мир идея, что энергия распространяется маленькими порциями, названными квантами. Однако к тому моменту, когда светила вроде Эрвина Шрёдингера и Вернера Гейзенберга завершили ее математическое описание, эта теория зажила собственной жизнью.
В результате же какое-либо определенное соответствие между математическими переменными и физическими свойствами пропало. Вместо них появились замысловатые объекты, например волновые функции, векторы состояний и матрицы, действующие в воображаемой математической среде, называемой Гильбертовым пространством – комплексной версии с большей размерностью нормального трехмерного пространства.
Удивительно, но эти абстракции работают. Используйте набор математических правил, установленных основателями квантовой теории, – и вы совершите физические предсказания, экспериментально подтверждаемые вновь и вновь. Частицы, появляющиеся из ничего лишь для того, чтобы исчезнуть вновь; объекты, физические состояния которых могут стать запутанными и которые способны мгновенно влиять друг на друга на больших расстояниях; коты, подвешенные между жизнью и смертью, пока мы не посмотрим на них, – все это вытекает из математической формулировки квантовой теории и, кажется, является реальным отражением того, как работает мир.
Краткая история квантовой революции
1900
Макс Планк случайно устраивает революцию, предположив, что энергия может существовать только в определенных количествах, названных квантами, – рождается квантовая теория.
1905
Альберт Эйнштейн предполагает, что свет состоит из дискретных порций энергии, позднее названных фотонами.
1913
Нильс Бор выдвигает теорию строения атома, основанную на квантовых идеях.
1922
Эксперименты Артура Комптона подтверждают, что электромагнитное излучение может также быть описано как частицы-фотоны.
1923
Луи де Бройль обнаруживает волновую природу электронов.
1925
Бор и Вернер Гейзенберг формулируют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, по-прежнему доминирующую.
Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Йордан разрабатывают первую версию квантовой механики.
1926
Эрвин Шрёдингер публикует волновое уравнение, демонстрирующее таинственную суть реальности.
1927
Вернер Гейзенберг выдвигает принцип неопределенности, налагающий фундаментальное ограничение на знания о мире, которые мы можем получить в принципе.
1935
Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен формулируют мысленный ЭПР-эксперимент и утверждают, что квантовая механика не является полным описанием реальности.
Эрвин Шрёдингер создает знаменитый мысленный эксперимент с котом, одновременно и живым, и мертвым.
1957
Хью Эверетт разрабатывает многомировую интерпретацию квантовой механики, в которой новая вселенная создается каждый раз, когда мы измеряем положение атома.
1964
Джон Белл предлагает методику (неравенства Белла) для проверки того, является ли квантовая механика полным описанием реальности.
1982
Ричард Фейнман выдвигает идею квантового компьютера, в котором квантовые системы используются для вычислений.
Ален Аспе проводит экспериментальную проверку неравенств Белла и подтверждает полноту квантовой механики; локальный реализм терпит неудачу.
1997
Впервые осуществлена квантовая телепортация (одного фотона).
2015
Эксперимент без «лазеек» по проверке неравенства Белла подтверждает, что Эйнштейн был неправ и природа на самом деле является квантово-механической.
2016
Осуществлена квантовая телепортация по проводу длиной 6,2 километра.
2. Путешествие по квантовому миру
От бессмертных котов до частиц, появляющихся из ниоткуда, и призрачных воздействий на расстоянии – все в квантовой физике получает удовольствие от разрушения нашего интуитивного понимания работы мира. Здесь начинается знакомство с ее важными особенностями.
Корпускулярно-волновой дуализм
Старейшая и величайшая из квантовых тайн связана с вопросом, волнующим величайшие умы в течение как минимум 2000 лет со времен древнегреческого математика Евклида: «Из чего сделан свет?» На протяжении истории ученые искали ответ на него (см. рис. 1.4).
Исаак Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, но эта идея впечатлила не всех его современников. А эрудит Томас Юнг в классических экспериментах, проведенных им в начале 1800-х годов, продемонстрировал, что пучок света при прохождении через две узкие щели дифрагирует, то есть расходится, давая интерференционную картину на экране, расположенном позади щелей, – так, будто свет является волной.
Так что же это – частица или волна? Квантовая теория дала ответ вскоре после того, как появилась на сцене в начале XX века. Свет, впрочем как и все остальное, – это и частица, и волна. Движущаяся одиночная частица, например электрон, может дифрагировать и интерферировать сама с собой, как если бы она была волной, и – хотите верьте, хотите нет – объект размером с автомобиль, когда он едет по дороге, тоже имеет вторичное волновое свойство.
Разоблачение появилось в получившей большой успех докторской диссертации, представленной пионером квантовой физики Луи де Бройлем в 1924 году. Он доказал, что волновым описанием движущихся частиц можно объяснить, почему они обладают дискретными, квантованными уровнями энергии, а