Рецепт квантовой механики

Решить уравнение Шрёдингера – почти как открыть коробку с тем самым котом. Юный гений Шелдон Купер из сериала «Детство Шелдона» справился с этой задачей, но что на самом деле означают его вычисления и при чем здесь кот? Объясняет кандидат физических наук, научный переводчик «Теории Большого Взрыва» Марк Ширченко.

Наверняка вы слышали о Коте Шрёдингера. Это мысленный эксперимент, показывающий парадоксы квантового мира. В коробку сажают кота и ставят механизм, который может его убить случайным образом. Например, при распаде радиоактивного атома. По законам квантовой физики, пока коробку не открыли, этот атом находится в двух состояниях сразу: распался и не распался. Получается, что кот тоже находится в двух состояниях сразу: и жив, и мёртв.

Решить уравнение Шрёдингера предстояло главному герою сериала «Детство Шелдона».

– У электрона, например, нет определенной координаты в квантовой механике. Он и волна, и частица. Значит, его состояние определяется функцией плотности вероятности. Идея квантовой механики в том, что вы не знаете точное положение тела, но вы знаете вероятность его нахождения где-то, – объясняет Марк Ширченко. – И когда Шелдон решает уравнение Шрёдингера, он определяет ту самую функцию плотности вероятности. Это дифференциальное уравнение, это сложно, но тем не менее это решаемая задача.

В квантовой механике мы хотим знать не только координаты частицы, но и ее энергию, импульс. Формулы из классической физики в квантовой механике не работают, но кое-что подсказать могут. Обращаемся к монологу Шелдона в одной из сцен:

«Классическая физика предсказывает очень многое об окружающем мире. Например, она может сказать, что произойдет, когда один бильярдный шар столкнется с другим. Но когда сразу много шаров несется в разных направлениях, мы оказываемся в диком дремучем лесу нелинейной динамики».

– В физике, на мой взгляд, три разных неопределенности. Ту, о которой говорит Шелдон, назовем бильярдной неопределенностью. Если у вас много шаров, удар не центральный, а боковой, то шар закручивается и каждый его удар рождает новое уравнение для расчета энергии. И ее просто сложно посчитать, – говорит Марк Ширченко. – Есть еще одна неопределенность – одновременно нельзя определить энергию частицы и время, которыми она обладала.

Но вернемся к коту Шрёдингера. Его проблему на философском уровне решает многомировая интерпретация Хью Эверетта: когда в квантовом мире есть выбор, например, распадется атом или нет, вся наша реальность разделяется. В первой атом распался, вы открываете коробку и видите мёртвого кота. Во второй реальности кот жив. И обе эти реальности – настоящие. Они существуют параллельно, но больше не взаимодействуют друг с другом.

– Луи де Бройль говорил, что есть более четкое описание, в котором кот либо жив, либо мертв. Есть «волна-пилот», где частица едет по своей волне и выбирает конкретный путь из вероятностей. Мы просто не знаем описания этой волны, – отмечает Ширченко. – А есть объяснение Блохинцева, который говорит, что квантовая механика не описывает отдельного кота, а описывает весь комплекс состояний.

Но чаще всего физики обращаются к интерпретации «Заткнись и вычисляй», потому что квантовая механика дает конкретные «рецепты» по вычислению вероятностей.

Ирина СИДОРЕНКО