Волновая функция принцип суперпозиции состояний уравнение шредингера

Волновая функция принцип суперпозиции состояний уравнение шредингера

Задачи атомной физики решаются методами квантовой теории, которая принципиально отличается от классической механики.

Решение задачи о движении тела макроскопических размеров основано на применении второго закона Ньютона. Если известны силы, действующие на тело, то сначала мы находим его ускорение, затем — траекторию, после чего — все параметры движения. Но в масштабах атомов понятие траектории теряет свой смысл. Своё значение сохраняют так называемые интегралы движения. К ним относятся, в первую очередь, энергия, импульс, момент вращения и чётность. В квантовой теории эти величины определяются сразу, минуя этап вычисления траектории.

В основе расчётов лежит уравнение Шредингера. Решив его, мы находим набор энергетических уровней, который реализуется в заданном потенциале, а также получаем информацию статистического характера о возможном положении частицы.

8.1. Уравнение Шредингера

Уравнение Шредингера, как законы Ньютона и уравнения Максвелла, вывести нельзя. Оно основано на анализе экспериментальных данных и в масштабах атомов описывает волновые свойства частиц. Покажем связь уравнения Шредингера с волновым пакетом. Для этого запишем уравнение волнового пакета:

где B — амплитуда. Будем считать, что величина B как функция k равна нулю при k Δ k и k > Δ k . Тогда областью интегрирования становится вся числовая ось. Вспоминая соотношения де Бройля-Эйнштейна (формулы (2.1) и (2.1а) первой главы), приходим к новой записи выражения для волнового пакета

Продифференцируем (1.1) по времени:

Появлению энергии в подынтегральной функции соответствует оператор дифференцирования

Его называют оператором энергии . Импульс, в свою очередь, связан с оператором

в чём можно убедиться, дифференцируя (1.1) по x :

Мы рассматриваем нерелятивистскую частицу в отсутствие внешних полей, следовательно, ее энергия равна p2/2 m. Ей можно сопоставить оператор двойного дифференцирования по координате:

Вычитая (1.3) из (1.2), получим

Всё подынтегральное выражение вместе с разностью равно нулю. Следовательно,

Мы вывели одномерное уравнение Шредингера для свободной частицы. Теперь учтём возможное присутствие внешних полей:

Здесь U = U( x , t ) — потенциальная энергия, зависящая только одной координаты. Вообще говоря, она может также меняться со временем. Соответственно, приходим к одномерному уравнению Шредингера:

Обобщение на случай трёх измерений сводится к замене производной по x оператором Лапласа:

Уравнение Шредингера с потенциалом, зависящим от всех трёх координат, имеет вид

Вектору импульса в трёхмерном случае соответствует оператор градиента:

где e _x , e _y и e _z — единичные векторы в направлении координатных осей. В процессе вывода мы использовали следующие соотношения между физическими величинами и операторами:

Оператор принято отмечать «шляпкой». Например, оператор, отвечающий физической величине G, обозначается как Ĝ. В квантовой механике вводится оператор энергии, или оператор Гамильтона

Он позволяет записать уравнение Шредингера следующим образом:

Уравнение Шредингера содержит мнимую единицу i , следовательно, его решение должно быть комплексным. Этим оно отличается от волнового уравнения в классической механике . В качестве примера рассмотрим одномерный случай. Классическое уравнение

позволяет работать отдельно с действительной и мнимой частями Y , каждая из которых подчиняется одному и тому же уравнению. В самом деле, если

где u и V — действительные функции, то уравнению (1.9), которое мы теперь запишем в виде

равносильна система одинаковых уравнений, каждое из которых совпадает с исходным :

Действительная и мнимая части Y разделились. Мы убедились, что в классическом случае нет принципиальной необходимости в комплексном представлении (хотя оно часто используется для удобства вычислений). Для уравнения Шредингера это не так. Разложение (1.10) вставим теперь в уравнение (1.4):

Этому уравнению эквивалентна система

в которой переменные u и V связаны друг с другом.

Структура уравнения Шредингера

показывает, что оно отображает закон сохранения энергии.

Уравнение Шредингера определяет зависимость волновой функции от времени и от координат. Как второй закон Ньютона описывает траекторию частицы, так уравнение Шредингера описывает эволюцию волновой функции.

Выход в комплексную плоскость является следствием требования, чтобы волновая функция в любой момент времени полностью определялась её начальным значением. Следовательно, уравнение Шредингера должно содержать только первую производную волновой функции по времени, но не вторую. Если ограничиться гармоническими функциями в действительной области, то волновое уравнение обязано содержать вторую производную. В самом деле, однократное дифференцирование переводит синус в косинус и наоборот. Но колебания могут быть описаны экспонентой с комплексным показателем. Её важное свойство заключается в том, что первая производная функции возвращает нас к ней самой:

Перейдём к обсуждению физического смысла волновой функции.

2.1. Волновая функция

Выкладки предыдущего раздела мы проводили, используя представление классической механики о волновом пакете. В уравнении Шредингера функция Y ( r , t ) приобретает новый смысл. Она называется волновой функцией и описывает уже не суперпозицию колебаний, но состояние реальной частицы. Перечислим основные свойства волновой функции.

Волновая функция как вероятность

В квантовой механике вся информация о частице содержится в её волновой функции. С учётом соотношения неопределённостей, эта информация носит вероятностный характер. А именно, квадрат модуля волновой функции пропорционален вероятности W найти частицу в данной точке в заданный момент времени:

Здесь звёздочка означает комплексное сопряжение. В большинстве задач, которые нам встретятся в дальнейшем, имеет место точное равенство:

Выбор между (2.1) и (2.2) определяется степенью локализации частицы в пространстве. Если вероятность найти частицу в удалённых точках исчезающе мала, то интеграл

взятый по всему пространству, сходится. В конечном итоге именно это и делает возможным равенство (2.2). Наоборот, свободно движущаяся частица может быть обнаружена в любой точке. Интеграл (2.3) для её волновой функции расходится и, следовательно, | Y | 2 не может служить вероятностью никакой величины. В этом случае справедливо отношение

которое является следствием (2.1). Ниже нам неоднократно будут встречаться волновые функции, модуль которых не стремится к нулю при удалении от начала координат, либо убывает слишком медленно. Хотя для таких функций не имеет смысла (2.2), тем не менее, отношение значений W в двух разных точках пространства равно отношению вероятностей обнаружить там частицу.

Принцип суперпозиции

Уравнение Шредингера линейно относительно волновой функции. Следовательно, любая линейная комбинация

его решений Y ₁ и Y ₂ также является его решением.

Таким образом, линейная комбинация волновых функций обязательно описывает некоторое состояние частицы (или системы частиц). В частности, при C₂ = 0 получаем, что решение уравнения Шредингера, известно с точностью до постоянного множителя.

Нормировка

Вероятность W по своему смыслу должна удовлетворять условию нормировки

Если частица совершает своё движение в ограниченной области, то, согласно предыдущему разделу, существует интеграл:

При выполнении последнего равенства волновая функция может быть преобразована так, чтобы условие

имело место даже в том случае, когда константа C не равна единице. А именно, условию (2.7) удовлетворяет функция

Согласно сказанному в предыдущем разделе, обе эти функции описывают одно и то же состояние. Процесс перехода от Y к F называется нормировкой, а функция F — норми p ованной волновой функцией.

8.3 Ток вероятности

В газодинамике известно уравнение непрерывности для потока вещества

где r — плотность, а

поток вещества, движущегося со скоростью v . Оно справедливо в том случае, если нет источников и стоков частиц. Аналогичное соотношение

можно вывести и для плотности вероятности W . Сначала проведём расчёты для одномерного случая. Для определения вектора тока вероятности S воспользуемся уравнением Шредингера (1.4) для свободной частицы. Запишем его также для комплексно–сопряжённой волновой функции:

то, подставляя сюда выражения (1.4) и (3.4) для производных по времени от Y и Y *, находим

Последнее уравнение представляет собой аналог одномерного уравнения непрерывности, если поток вероятности принять равным

Обобщение на случай трёх измерений даёт уравнение непрерывности (3.3) с дивергенцией вектора

Физический смысл определённого таким образом потока вероятности S можно выяснить, вычислив его для свободной частицы, то есть, для волновой функции вида

Производная выражается через Y :

Аналогично вычисляем производную от комплексно сопряжённой функции:

Подставляя (3.7) и (3.7а) в (3.5), получаем

Нетрудно убедиться, что в трёхмерном случае мы приходим к формуле

Она полностью аналогична (3.2), где роль плотности выполняет плотность вероятности W, а вместо потока массы j надо подставить вектор S.

Поток вероятности равен нулю в случае действительной волновой функции. Следовательно, последняя описывает финитное движение, то есть, движение в ограниченной области пространства.

8.4 Операторы физических величин

В этом разделе мы соберём вместе явные выражения для самых важных для нас операторов. Оператор энергии сводится к дифференцированию по времени:

а оператор проекции импульса на одну из координат — к дифференцированию по этой координате:

Аналогичные формулы справедливы для проекций момента на две другие оси, а в трёхмерном случае

вектор импульса выражается через оператор градиента:

При формировании операторов можно пользоваться соотношениями между классическими величинами. Так, оператор кинетической энергии с помощью соотношения

выражается посредством оператора Лапласа:

В отсутствие внешних полей полная энергия частицы равна её кинетической энергии:

В квантовой механике этому факту соответствует уравнение Шредингера для свободной частицы:

Последняя формула является обобщением (1.4) на случай трёх измерений.

Оператор координаты сводится к простому умножению на эту координату. То же самое справедливо и для оператора, представляющего любую функцию координат. Например,

В последующих разделах мы познакомимся с оператором момента вращения.

С математической точки зрения уравнения квантовой механики сводятся к линейной задаче на собственные значения с заданными граничными условиями.

Здесь Y _i — собственные функции, а G _i — собственные значения оператора . Физический смысл (4.7) заключается в следующем. В результате измерения можно обнаружить только те значения физической величины, которые входят в спектр собственных значений её оператора.

Спектр собственных значений может быть как дискретным, так и непрерывным. Например, непрерывным является спектр импульса свободной частицы. Покажем это для одномерного случая. Вычислим собственное значение p проекции импульса на ось x :

Решение последнего уравнения

в комплексной форме выражает «мгновенную фотографию» плоской монохроматической волны, распространяющейся вдоль оси x . Не удивительно, что мы получили именно такое решение, так как мы исходили из представления плоских волн при получении уравнения Шредингера. Временнýю часть волновой функции мы установим позже.

Отметим важную особенность функции (4.10): квадрат её модуля равен константе |C| 2 . Следовательно, свободно летящая частица с равной вероятностью может находиться в любой точке пространства. Как уже было сказано в разделе (2.1), такую функцию невозможно нормировать приведённым там способом. Таким образом, она представляет собой пример волновой функции, квадрат модуля которой пропорционален вероятности в смысле (2.4), но не имеет места (2.1).

Среднее значение.

В этом разделе мы с самого начала предполагаем, что волновая функция квадратично интегрируема, то есть существует интеграл (2.6). Как известно из математики, среднее значение функции координат f ( x ) определяется с помощью вероятности W( x ) как

Для операторов, зависящих только от координат, это определение без всяких изменений переносится в квантовую механику. Нужно только вместо вероятности написать квадрат модуля волновой функции:

Здесь интегрирование ведётся по всей области изменения аргумента x .

В общем случае, когда физическая величина G не является функцией координат (например, импульс), её среднее значение определяется как

Подынтегральная функция состоит из двух сомножителей: Y * ( x ) и — результата воздействия оператора на функцию Y ( x ). Формула (4.11) является частным случаем (4.12), когда

Пусть система находится в определённом состоянии, соответствующем собственному значению G _i и собственному вектору — волновой функции Y _i . Если физическую величину G усреднять с помощью функции Y _i , то среднее значение равно G _i . В этом легко убедиться, подставив (4.7) в (4.12).

Соотношение неопределенности, волновая функция, излучение и поглощение энергии

Конспект лекции

Аннотация: знакомство с границами применимости классической физики, уравнением Шредингера. Традиционное изложение темы.

В первой четверти XX-го века получены экспериментальные свидетельства двойственности свойств материи: электромагнитное излучение проявляет свойства частиц (фотоэффект, комптоновское рассеяние, . ), а частицы демонстрируют волновые свойства (эффект Рамзауэра, туннельный эффект, . ).

Но свойства волн и частиц в известной степени противоположны.

Нет подходящих образов, чтобы представить существование волновых и корпускулярных свойств у одного объекта. Нельзя все свойства волн и все свойства частиц приписать одному объекту. Необходимо внести некоторые ограничения в применении к объектам микромира понятий классической физики. Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц, изучаемых в квантовой механике, приводит к тому, что в ряде случаев оказывается невозможным, в классическом смысле, одновременно характеризовать частицу ее положением в пространстве (координатами) и скоростью (или импульсом). В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, названный теперь его именем. Он может быть записан в следующем виде

.

Здесь Δx — неопределенность координаты x, Δp — неопределенность импульса, ħ — постоянная Планка, деленная на 2π (h = 6.62·10 -34 Дж·с). Выражение (1) следует понимать так, что если мы точно задаем координату частицы (Δx → 0), то ничего не можем сказать о величине импульса (Δp → ∞). Одновременно точно задать координату и импульс микрочастицы невозможно. Для иллюстрации рассмотрим опыт по дифракции электронов на щели. Прямой опыт Йенсона (см. лекцию) показал, что за щелью распределение интенсивности электронов будет иметь вид, показанный на рис.1. Рис.1. Дифракция электронов на щели.

Отклонение электрона от первоначального направления означает получение им приращения импульса Δp. Ширина щели служит мерой неопределенности положения электрона (электрон проник в щель, в какой точке щели это произошло, неизвестно). Из опыта известно, что при уменьшении ширины щели дифракционная картина уширяется. Т.е., если Δx уменьшается, Δp растет, как это предсказывает соотношение (1).

Принцип неопределенности не мешает нам с любой желаемой точностью измерить каждую из величин, входящих в соотношение. Он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то, и другое одновременно. Неравенства (1) и (2) представляют собой ограничения применимости понятий классической механики.

Оценим количественную сторону ограничений на трех примерах.

Молекула в стакане.

Массы молекул имеют порядок 10 -27 кг. Пусть стакан имеет размер

10 -1 м. Эту величину возьмем в качестве неопределенности координаты Δx. Тогда для неопределенности скорости получим

.

Чрезвычайно малое значение Δv в сравнение со скоростью молекул (при комнатной температуре порядка 500 м/с) приводит к выводу об отсутствии ограничений на классическое рассмотрение движения молекул в этом случае.
Электрон в атоме.

10 -30 кг, размер атома

10 -10 м. Для неопределенности скорости получим

.

И поскольку эта величина Δv сравнима со скоростью электронов в атоме, соотношение неопределенностей играет решающую роль, игнорировать волновые свойства электрона никак нельзя.
Луч осциллографа.

Скажутся ли волновые свойства электрона на работе осциллографа? Пусть радиус луча на экране очень качественного осциллографа равен r = 10 мкм, длина трубки L

10 -1 м. Тогда относительное изменение импульса Δp/p = r/L = 10 -4 . Импульс электрона определим, задав напряжение на трубке U, равным 10 кВ

.

Неопределенность импульса тогдаΔp

6·10 -27 , а неопределенность координаты

что существенно меньше размера пятна на экране. Т.е. пользоваться осциллографом можно, не задумываясь о волновых свойствах электронов.

Приведем один пример использования соотношения неопределенностей для оценки физических величин. Исходим из того, что неопределенность, например, импульса — это минимальное значение импульса, которое что-то значит.

Покажем, что в существующих ядрах не могут находиться электроны. За неопределенность координаты возьмем радиус ядра r, тогда

Размеры ядер имеют порядок 10 -14 м, электрон с таким импульсом — ультрарелятивистский, его энергия много больше энергии покоя, и последней можно пренебречь в оценках. Имеем E = p·c (как для фотонов). Для того чтобы электрон находился в ядре, его кинетическая энергия должна быть меньше потенциальной энергии (энергии взаимодействия с заряженным шаром, которым представляем ядро). Получаем

Ядер с таким большим атомным номером не существует. Точное решение задачи с нахождением волновой функции показывает отсутствие связанного состояния для электрона в потенциальной яме, которой представляется ядро.

Другая важная пара связанных физических величин – энергия Е и время t. Соотношение неопределённостей для них имеет вид

.

Если под величиной Δt понимать среднее время жизни атома в возбужденном состоянии, то энергия этого состояния определена с точностьюΔE. В основном состоянии атом может находиться без внешних воздействий бесконечно долгое время: Δt = ∞. Тогда ΔE = 0, то есть в основном состоянии энергия атома является строго определенной величиной. Однако каждый возбужденный уровень энергии имеет конечную ширину, которая определяется временем жизни атома в этом состоянии. Вследствие этого длина волны испускаемого кванта при переходе из возбужденного состояния не будет однозначной, спектральная линия излучающего атома имеет конечную ширину. Говорят о естественной ширине линии. Ширина спектральной линии определяется шириной уровней энергии, между которыми происходит переход. Обычно ширина уровней энергии очень мала. Например, для переходов с излучением в видимой части спектра (время жизни атома в возбужденном состоянии

Соотношение (2) допускает рождение на короткое время с последующим исчезновением частиц (их называют виртуальными (возможными) частицами). Их время жизни очень мало — порядка 10 -21 — 10 -24 с. Это объясняет, почему в вакууме постоянно присутствуют кванты различных полей. Отдельные виртуальные частицы нельзя обнаружить в принципе, но их суммарное воздействие на обычные микрочастицы обнаруживается экспериментально. В опыте У.Лэмба и Р.Ризерфорда (1947 г.) при исследовании спин-орбитального расщепления (см. лекцию) 2p уровня атома водорода обнаружено не только ожидаемое расщепление энергий состояний 2p_3/2 и 2p_1/2, но и отличие энергий 2s_1/2 и 2p_1/2 состояний. Это отличие обусловлено, как выяснилось позднее, во-первых, испусканием и поглощением связанным электроном виртуальных фотонов, что приводит к изменению эффективной массы электрона и возникновению у него аномального магнитного момента, и, во-вторых, возможностью виртуального рождения и аннигиляции в вакууме электронно-позитронных пар, что искажает кулоновский потенциал ядра. Лэмбовский сдвиг оказался первым физическим эффектом, на котором подтвердилась правильность квантовой электродинамики.

Волновая функция

Наличие волновых свойств у микрочастицы показывает, что ей (микрочастице) следует сопоставить некоторое волновое поле (аналог знакомых нам электрического, магнитного, гравитационного полей). Амплитуду этого волнового поля, зависящую от координат и времени, принято называть волновой функцией . Физическое толкование (М.Борн, 1926 г.):

величина пропорциональна вероятности того, что микрочастица в момент времени t будет обнаружена в объеме dV вокруг точки с координатами x, y, z.

Вспомним опыт с пропусканием электронов через щель. Куда попадет данный конкретный электрон — дело случая. После пропускания малого числа электронов картина похожа на мишень плохого стрелка. Поведение электрона должно описываться некоторой вероятностной функцией. И эта функция должна быть связана со свойствами волнового поля, т.к. итог большого числа попаданий электронов — вполне четкая картина дифракционных полос. Совместить случайный характер попадания электрона в данное место с его волновыми свойствами можно, лишь допустив, что вероятность попадания электрона в данную точку пропорциональна интенсивности волнового поля, т.е. квадрату амплитуды |Ψ| 2 . |Ψ| 2 имеет смысл плотности вероятности. С помощью волновой функции можно рассчитать все измеряемые физические характеристики системы частиц. Например, среднее расстояние электрона от ядра

Свойства волновой функции:

• самое главное — сама амплитуда Ψ(x,y,z,t) непосредственного физического смысла не имеет; только |Ψ| 2 — плотность вероятности;
• волновая функция может быть комплексной (так чаще всего и бывает);
• умножение волновой функции на постоянную величину не изменяет физического состояния частицы, которая она описывает (распределение вероятности в пространстве и во времени не изменится; во сколько раз частицу чаще можно встретить в одной точке, чем в другой, во столько же раз и после умножения);
• волновая функция должна быть непрерывной и однозначной;
• непрерывной должна быть и первая производная по координате, так как через нее определяется импульс частицы;
• волновая функция не должна обращаться в бесконечность;
• обычно волновую функцию нормируют так ,что

т.е. вероятности достоверного события.

Уравнение Шредингера

Уравнение, решением которого является волновая функция, получено австрийским физиком Э.Шредингером

• m — масса частицы;
• Ψ(x,y,z,t) — волновая функция;
• ħ — постоянная Планка, деленная на π2;
• — оператор Лапласа;
• U(x,y,z,t) — потенциальная энергия;
• i — мнимая единица.

Это уравнение применимо только для нерелятивистских частиц, у которых масса не зависит от скорости.

Для многих задач уравнение Шредингера можно упростить, исключив зависимость от времени. Это так называемые стационарные задачи. Пусть потенциальная энергия зависит только от координат U = U(x,y,z). Будем искать решение в виде произведения двух функций, зависящих одна от координат, а другая от времени: Ψ(x,y,z,t) = ψ(x,y,z)·φ(t). Поставим это выражение в уравнение и вынесем из-под знаков дифференцирования сомножители, не зависящие от соответствующих переменных

Разделим получившееся уравнение на ψ(x,y,z)·φ(t). Теперь левая часть зависит только от координат, а правая от времени. Поскольку обе части равны между собой, то остается единственная возможность: каждая из них равна одной и той же константе. Обозначим эту константу -E (E, как будет видно, — полная энергия частицы).

Теперь имеем два уравнения: первое для функции ψ(x,y,z)

Это так называемое стационарное уравнение Шредингера. Второе, которое легко решается, для временной части

Итак, для стационарного случая имеем два дифференциальных уравнения. Многочисленные эксперименты подтверждают выводы, вытекающие из решения уравнения Шредингера. На этом основана наша уверенность в справедливости этого уравнения.

В 1933г. Эрвину Шредингеру присуждена Нобелевская премия:

E RWIN S CHRODINGER for the discovery of new productive forms of atomic theory.

(за открытие новых продуктивных форм атомной теории)

Решение уравнения Шредингера для свободной частицы

Для понимания природы явлений в микромире обычно достаточно решить одномерную задачу. Этим мы и займемся. Для свободной частицы U(x) = 0, и уравнение Шредингера имеет вид

.

Имеем дифференциальное уравнение второго порядка с посто39янными коэффициентами. Его решение, используя характеристическое уравнение, получаем в виде

.

Теперь добавим множитель φ(t), зависящий от времени (см. выше)

.

Если учесть, что E/ħ = ω, получили уравнение волны с фазой kx-ωt в первом слагаемом и -kx-ωt во втором. Если фазу зафиксировать, то точка с постоянной фазой движется в направлении x для первого слагаемого (x растет с увеличением t), и в противоположном для второго. Первое слагаемое описывает движение частицы в направлении x, второе — против x.

Выражение (4) однозначно, конечно и имеет смысл при любых значениях энергии E. Энергия свободной частицы может принимать любое значение, т.е. ее энергетический спектр является непрерывным.

Этой волне соответствует не зависящая от времени вероятность обнаружить частицу в данной точке пространства. Действительно, выбирая для простоты волну, распространяющуюся в положительном направлении x, имеем |Ψ| 2 = Ψ·Ψ * = |A| 2 .

И напоследок получим соотношение между импульсом p и энергией E свободной частицы. Вспоминая выражение для длины волны де Бройля, для волнового числа k получим

.

Возведя это выражение в квадрат и приравняв к равенству для k 2 (3), получим

что совпадает с классическим соотношением.

Тождественность частиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули.

Проделаем опыт по изучению углового распределения упруго рассеянных α-частиц на ядрах углерода 12 C: α + 12 C → α + 12 C. Рис. 2. Рассеяние α-частиц на ядрах углерода. На рисунке 2а изображен в системе центра инерции результат взаимодействия, которое привело к рассеянию α-частицы на угол θ и попаданию в детектор 1. Ядро углерода регистрируется в детекторе 2. Пусть Ψ(θ) — волновая функция, описывающая этот процесс.

Но может быть (рисунок 2б) α-частица рассеялась на угол π — θ и попадает в детектор 2. Этот процесс описывается функцией Ψ(π — θ). Детекторы 1 и 2 включены в схему совпадений, и событие считается зарегистрированным, когда в каждый детектор попадет по частице.

Можно ли сделать детектор, различающий α-частицы и ядра углерода? Отвечаем «да», и случаи 1а и 1б различны. Измеряемая величина — доля частиц, рассеянных на данный угол. В случае а) она пропорциональна |Ψ(θ)| 2 , а в случае б) — |Ψ(π — θ)| 2 . А если детектор не различает частицы (например, счетчик Гейгера), тогда вероятность опыта пропорциональна

Состояния в принципе различны и складываются вероятности.

А при рассеянии α-частиц на ядрах гелия: α + 4 He → α + 4 He (α-частица — это и есть ядро гелия!)? Тут взаимодействуют тождественные частицы, и экспериментальные результаты не согласуются с формулой (5). Полная неразличимость частиц приводит к интерференции рассеянных волн. В этом случае складываются амплитуды

Если подсчитать по этим формулам вероятности для угла θ = π/2, то вероятности 2|Ψ(π/2)| 2 и |2·Ψ(π/2)| 2 = 4·|·Ψ(π/2)| 2 отличаются в два раза. Ошибиться тут нельзя. Опыт согласуется со вторым значением: для неразличимых частиц складываются амплитуды.

А как обстоит дело с электронами? Электроны в отличие от α-частиц имеют спин (собственный момент количества движения), который может иметь два направления. Если спины взаимодействующих электронов направлены одинаково, то это тождественные частицы, но ни (5), ни (6) неверно. Для них складываются амплитуды в противофазе:

Если спины электронов имеют противоположные направления, детектором можно определить, какой электрон попал в детектор, и складываются вероятности (5).

Приходим к выводу: тождественность микрочастиц существенна при описании взаимодействия этих частиц.

Электроны тождественны, и перестановка двух любых экспериментально обнаружена быть не может: возможны переходы, ведущие к неразличимым экспериментально состояниям.

В 1945г. Вольфгангу Паули присуждена Нобелевская премия:

W OLFGANG P AULI for the discovery of the Exclusion Principle, also called the Pauli Principle.

(за открытие принципа запрета, названного принципом Паули)

Вычисление средних значений

Если известна волновая функция Ψ(x), то можно вычислить значение физических величин, характеризующих данную задачу. Как упоминалось, |Ψ(x)| 2 dx — дает долю частиц, находящихся между x и x + dx. Тогда среднее значение x

Аналогично надо поступить и любых функций координаты x. Например, среднее значение потенциальной энергии U(x) равно

По-другому вычисляется средняя кинетическая энергия, которая зависит не от координаты x, а от импульса. Приведем формулу

Можно проверить последнее выражение для частного случая n = 1 в прямоугольной бесконечно глубокой потенциальной яме

что совпадает со значением полной энергии E в основном состоянии, т.к. потенциальная энергия U полагалась равной нулю.

Излучение и поглощение энергии

Чтобы выяснить, излучает ли система, содержащая заряженную частицу, надо вычислить среднее значение координаты. Если среднее значение x колеблется с частотой ν, то согласно законам электродинамики надо ожидать испускания или поглощения излучения такой частоты.

Используем волновую функцию частицы в состоянии с квантовым числом n и энергией E_n —

Оказывается, если частица находится в определенном энергетическом состоянии, среднее значение x не зависит от времени, и излучения нет. В 1913 году Нильс Бор для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода постулировал, что атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E_n. В стационарных состояниях атом не излучает. Этот постулат находился в явном противоречии с классической механикой. Рис.3. Уровни энергии.

Теперь рассмотрим систему, в которой есть два состояния с квантовыми числами n, m и соответствующими им энергиями E_n и E_m (рис.3). Принцип суперпозиции в квантовой механике заключается в следующем: если квантовая система может находиться в состояниях, описываемых волновыми функциями Ψ_n и Ψ_m, то она может находиться и в состоянии, описываемом волновой функцией

где a и b — произвольные коэффициенты. Наблюдая испускание излучения при возвращении в основное состояние n, можно заключить, что система была в состоянии m (т.е. a = 0, b = 1) в какой-то момент времени. Найдем среднее значение x для функции (8).

В подынтегральном выражении слагаемые с произведениями Ψ * _n·Ψ_n и Ψ * _m·Ψ_m приводят, как мы видели, к стационарным значениям x и не вызывают излучение или поглощение. Поэтому нас будут интересовать перекрестные произведения

Получили, что среднее положение частицы представляет собой периодическую функцию времени, умноженную на некоторое число (определенный интеграл по x). Поэтому получаются колебания заряда, и, следовательно, излучение с частотой

Таким образом, квантовая механика объясняет существование линейчатых спектров и обосновывает вторую гениальную догадку Н.Бора: испускание или поглощение фотонов происходит только с частотами, удовлетворяющими равенству hν = E_m — E_n.

Теперь заметим, что колебаний заряда не будет, если интеграл В (9) равен нулю

Когда это бывает? В лекции о квантовом гармоническом осцилляторе выписаны волновые функции основного и первых двух возбужденных состояний. Для перехода m = 1 → n = 0 этот интеграл (опуская постоянные коэффициенты)

т.к. под интегралом четная функция. Аналогично для перехода m = 2 → n = 1

функция под интегралом четная и интеграл нулю не равен. Переходы m = 1 → n = 0 и m = 2 → n = 1 разрешены и сопровождаются излучением кванта.

Теперь проанализируем переход m = 2 → n = 0.

т.к. под интегралом нечетная функция. Такой переход запрещен. Детальный анализ волновых функций гармонического осциллятора показывает, что возможны только переходы, при которых квантовое число обязательно меняется на единицу Δn = ±1. Это так называемое правило отбора. Для водородоподобных атомов правила отбора будут свои.

Квантовая механика объясняет основные характеристики испускания и поглощения света.

Если возникли какие-либо вопросы, напишите мне.

Расставляя все точки над «пси»

При планировании нескольких статей так или иначе связанных с квантовой механикой было решено вынести обсуждение ряда технических вопросов, философских споров и досужих мифов в отдельную статью. Речь пойдет о самом сложном и интересном инструменте человеческого интеллекта — квантовой теории.

Я вовсе не физик, но знаю, что к чему.
Попай-моряк

Большая часть нашей коллективной деятельности регулируется другими людьми. Мы получаем от них набор условных обозначений и правила их использования. Владение таким инструментом позволяет нам принимать сообщения и отвечать так, чтоб максимально точно передать результат работы своей нейронной сети. Человеческие правила коллективной деятельности определяют эволюцию нашей культуры.

Напротив, природные системы, от атомов до галактик, развиваются независимо от человеческих правил. Мы не можем изменять физические законы. Мы можем только попытаться понять их. Сама природа судит посредством экспериментов, насколько правдоподобно то или иное объяснение некоторых природных явлений. Тем не менее, в передовых исследованиях, где неизвестное только начинает обретать форму, новое знание достаточно неустойчиво.

Для должного обоснования модели исследователь обязан иметь обширный фундамент. По аналогии с высказыванием «ты — то что ты ешь» справедливо то, что мы оперируем при мышлении лишь знаниями поступившими извне (разумеется с учетом предустановок обусловленных на начальных этапах формирования мозга). Тут уже приходится полагаться помимо собственного чувственного опыта на утверждения окружающих. И не абы кого, а авторитетов.

Для того, чтобы быстро восполнить какой-либо пробел, достаточно вбить в поисковик ключевую фразу, а ля «двухщелевой эксперимент» и пробежаться глазами по предложенным источникам. И пожалуйста, у вас есть знание — быстро, дешево, наглядно! Теперь вы знаете ответ на вопрос и можете даже написать свою статью, чтоб учить окружающих. И она будет иметь шанс выпасть в поисковой выдаче. Вот только почему-то многие не обращают внимание на то, кто был автором ответов. Ютюбовское видео — блогер, бросивший учебу, но популярный из-за смазливой мордашки и умения вставлять мультики в ролик; запись из блога — школьница подросток увлекающаяся астральными путешествиями; статья из научпоп журнала — журналистка, чья специальность не подразумевала никаких технических дисциплин.

Конечно, из любого правила есть исключения, и приходится просматривать большую часть работ автора, чтоб сделать о нем выводы. Может по образованию она и журналистка, но на досуге листает твёрдую литературу. Однако, по вопросам физических моделей я пойду к знакомому доктору физико-математических наук, за объяснением когнитивных процессов полезу в книги специалиста по нейроанатомии, а рецепт наивкуснейших печений спрошу у сестры.

Нам приходится полагаться на мнения специалистов для экономии времени и сил. Если проверять все утверждения и успешные теории самому, то человеческой жизни не хватит, чтоб догнать современный уровень развития общества. От того вера учителям становится необходимой. При этом нужно всегда держать в уме, что они такие же люди и не застрахованы от ошибок, пороков и профдеформации. И будучи мастером своего дела человек будет полнейшим профаном в других аспектах. Даже в пределах одной области познания, мнения у именитых специалистов могут отличаться весьма и весьма. Скажем, Р. Пенроуз будет больше внимание уделять математике, везде и всюду вспоминать Гёделя, а сложную проблему разума спихивать на квантовые явления. Л. Сет — приверженец инженерного подхода, основной упор делает на теорию информации и детерминизм. С. Ааронсон как истинный программист больше внимания уделяет соотношению сложностей вычислений и квантовой информатике.

Физики экспериментаторы предрасположены к позитивизму и материализму. Математики (чаще подверженные комплексу величия) склонны к идеализму, антропоцентризму, а то и солипсизму. Биологи и медики менее религиозны и антропоцентричны чем первые и вторые. А химики… Хм, нужно побольше разузнать про мировосприятие химиков.

В общем, чтобы осмыслять окружающий мир приходится верить тем, кто убивал время на его понимание. А чтобы понять самому, придется поработать ручками и головой.

Где взять понимание

Но если квантовая механика — это не физика в обычном смысле, если она не занимается ни веществом, ни энергией, ни волнами, ни частицами, то чем же она занимается? С моей точки зрения, она занимается информацией, вероятностями, наблюдаемыми величинами и тем, как они соотносятся друг с другом.
Скотт Ааронсон

В нашу эпоху доступной информации важно умение отделять зерно от плевел. Чтобы оперировать определенными образами, нужно рассмотреть проблему с разных ракурсов ознакомившись с точками зрения нескольких авторов. Еще нужно много практики. Квантовая теория это в первую очередь инструмент, а не философское течение, где каждый волен озвучить свое мнение. Для использования этого сложного инструмента нужны инструкции и учителя.

Гуго Штейнгауз как-то сказал: «математик сделает это лучше». Под «это» подразумевается всё. Оно и понятно, ведь занятие точными науками есть многогранная тренировка мышления и привнесение в ум дисциплинированности. Так что, без должных навыков из линейной алгебры, дифференциального исчисления и математической логики с теорией алгоритмов путь в теоретическую физику закрыт. Все остальное самообман и иллюзия понимания — вы просто не будете восприимчивым к грамотным объяснениям, так как мышление не будет генерировать образов, которые пытается донести собеседник или автор касательно данной темы.

Только разобравшись со вспомогательными инструментами из матана и с основами классической физики (механика, электродинамика, оптика, статы) можно приступать к квантам. Тут не сдержусь порекомендовать литературу «которая навсегда перевернет ваше сознание»

• Иванов М.Г. Как понимать квантовую механику 2015 (Название говорит само за себя. В книге можно найти теоретический минимум и выжимку из философских рассуждений)
• Тихонов Д. Теоретическая химия: внутри чёрного ящика (Неформальная методичка. Кого-то может отпугнуть лукморовский стиль изложения, кого-то, наоборот, привлечь. Наиболее ценна из-за ликбеза по основным материалам и кропотливых выкладок, а также раскрытия важных аспектов химической физики)
• Блохинцев Д.И. Принципиальные вопросы квантовой механики 1966 (Большой упор на философию и методологию. Лично мне понравился вход в тему со стороны статистической физики)
• Бом Д. Квантовая теория 1952 (Потряснейший учебник от товарища Бома, изданный им до перехода на темную сторону. Вход в тему со стороны электродинамики и постоянные поиски смысла. Особенно интересно идет с нападками редактора русского издания Вонсовского)
• Дирак П. Принципы квантовой механики 1958 (Одна из тех редких книг, которую хочется иметь в бумажном виде, чтобы читать по вечерам у камина)
• Балашов В.В. Курс квантовой механики 2001 (Хороша задачками и некоторыми аспектами не раскрытыми в других учебниках)
• Фейнман Р. Статистическая механика курс лекций (Много крутых тем, но требует основательный бэкграунд по матану)
• Флюгге З. Задачи по квантовой механике 1974 (Ну а вы как хотели? Полистать оглавления и все? Еще надо задачки решать!)
• Хренников А.Ю. Введение в квантовую теорию информации 2008 (Это для встряски)
• Jon Magne Leinaas Modern Quantum Mechanics 2016 (Современно, без воды, я б сказал хороший скелет)
• David J. Griffiths Introduction to Quantum Mechanics 2004 (А здесь уже с мясцом и философией)
• Ну и в прошлой публикации есть список литературы по квантовым вычислениям, там как правило присутствует ликбез по теме

Если вы не проявляли усилий для основательного освоения материала, то будьте честны хотя бы с собой — вы сторонний наблюдатель и нефига в квантах не смыслите. Не встревайте в споры, не выдвигайте теории и уж тем более не учите окружающих. Ну да, это наболевшее. Ладно здесь на хабре и еще много на каких технических форумах и тематических группах проскакивает дичь, порожденная необразованностью автора, но когда два профессора подряд на лекциях по философии упраздняли квантовую механику и теорию относительности, тут уж мне многое пришлось переосмыслить.

Однако же, на время отвлечемся от пространных разговоров и поработаем руками.

Уравнение Шредингера

Таким образом, основные физические законы, необходимые для математической теории значительной части физики и всей химии, полностью известны, и трудность заключается лишь в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, которые слишком сложны, чтобы быть разрешимыми. Поэтому становится желательным разработать приближенные практические методы применения квантовой механики, которые могут привести к объяснению основных особенностей сложных атомных систем без слишком больших вычислений.
П. Дирак

В наиболее общем случае эволюцию (переход между состояниями) абстрактной системы можно описать взаимно-однозначными афинными преобразованиями фазового пространства: . В квантовом случае это будет перевод операторов плотности. Свойство аффинности имеет прямой статистический смысл: оно означает сохранение «весов» в смесях состояний.

Введя унитарный оператор U, мы имеем — афинное взаимно-однозначное отображение множества квантовых состояний S на себя, то есть, обратимую эволюцию. При обратимой эволюции чистые состояния переходят в чистые, при этом вектор исходного чистого состояния преобразуется в .

Для непрерывной однопараметрической группы унитарных операторов удовлетворяющей условиям:

• 
• (однородность по времени)
• непрерывность функции

работает теорема Стоуна

где H — эрмитов оператор, а параметр t обычно играет роль времени. И вот, для векторов чистых состояний можно получить уравнение Шредингера

> <\partial t>= \hat\left|\Psi\right> $» data-tex=»display»/>

Из терминологии классической механики: — гамильтониан, оператор полной энергии системы, то есть, сумма кинетической энергии и энергии системы в поле некоего потенциала.

Тем кто полюбил линейную алгебру занимаясь компьютерной графикой (привет пользователям OpenGL), уравнение как бы намекает, что эволюция чистой квантовой системы это повороты вектора состояния путем умножения на матрицу-гамильтониан.

Формально, уравнение Шредингера ни откуда не выводится, будучи в нерелятивистской квантовой механике наиболее общим. Оно постулируется как обобщение экспериментов. Хотя, в книге Бома можно посмотреть довольно органичный способ его получения на основе выражения волны для свободной частицы.

Практически вся волновая теория заключена в волновом уравнении, если мы знаем, как интерпретировать волновую функцию. Уравнение Шредингера является математическим выражением корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц. В предельном случае, когда длины волн де Бройля значительно меньше размеров рассматриваемого движения, уравнение Шредингера позволяет описывать движение частиц по законам классической механики.

С математической точки зрения — это дифференциальное уравнение в частных производных, которое имеет множество решений. В каждой конкретной задаче из этого множества следует выбрать одно решение, отвечающее условиям задачи.

С физической точки зрения нужно отметить, что согласно уравнению Шредингера волновая функция изменяется детерминировано, то есть совершенно однозначно. В этом смысле квантовая механика напоминает классическую, в которой движение системы заранее предопределено начальными условиями. Однако сама волновая функция имеет вероятностный смысл.

Наконец, необходимо отметить важную особенность уравнения Шредингера: оно линейно. Волновая функция и ее производные входят в него в первой степени и для волновых функций справедлив принцип суперпозиции. Он позволяет сложные модели разбивать на подзадачи.

Факторизуя волновую функцию на временную и на пространственные компоненты получаем одномерное стационарное Уравнение Шредингера

Это ни что иное, как задача на собственные значения оператора Гамильтона. Энергия – одна из наблюдаемых, следовательно, это уравнение на допустимые наблюдаемые значения энергии и на соответствующие им состояния системы. Получим общее решение для нулевого потенциала:

Теперь знай себе, подставляй граничные и начальные условия в зависимости от задачи. Так можно получить, например, аналитическое выражение для свободной частицы в потенциальной яме, дающее вероятности локализации в некотором пространстве

К этой модели сводится, например, движение -электрона в цепи полиена .

Если же учитывать внешний потенциал (а он разнится в зависимости от среды) то волновую функцию в некой слоистой структуре можно представить в виде:

Используя граничные условия и довольно красивый метод матриц переноса получаем спектр и собственные функции для последовательности произвольных постоянных потенциалов

Этой же методой выуживают значения энергии резонансных переходов электронов в слоисто-неоднородных средах.

Чтобы не перегружать страницу формулами и кодом укажем ссылки на исходники и pdf-аналоги: раз два

Численные методы

Очень хорошо когда задача сводится к известной модели. Но не всегда удается получить аналитическое решение. Поэтому в квантмехе найдется работа не только чистым теоретикам, но и грязным числодробителям. Уравнение Шредингера вполне себе типичная дифура, для которых разработана уйма методов. Поиграем с одним из них.

Разностная аппроксимация по времени уравнения Шредингера с использованием метода Кранка-Николсона имеет вид:

Которую можно переписать в виде:

В одномерном случае конечно-разностная схема по координате расписывается как:

Это соответствует построению для гамильтониана разреженной матрицы. Например, для гамильтониан и волновая функция становятся:

Вот и все, теперь достаточно задать начальный волновой пакет, вид потенциального барьера, взять побольше шагов по времени и координате и пожалуйста — анимации квантовых явлений рассчитанные силами вашего пк:

Еще может быть интересна имплементация расщепления шага Фурье и решение несколькими методами нелинейного уравнения Шредингера находящего применение в физике плазмы, в частности при моделировании нелинейных быстрых магнитозвуковых волн в корональных магнитных трубках.

Но разумеется не все так радужно. Чем больше объектов в изучаемой системе, тем сложнее будет модель. Например, для молекулы воды в оператор Гамильтона будут входить импульсы трех ядер (два ядра водорода и одно кислорода) и 10 электронов, а также потенциалы кулоновского взаимодействия всех пар частиц:

И какой же ужас нас ждет когда мы захотим промоделировать элементарную химическую реакцию веществ в этой воде растворенных — каждый электронный переход происходит с оглядкой на наведенное поле, в свою очередь влияя на окружающие дипольные моменты молекул воды. А если же вам вздумается моделировать геометрию органических молекул.

И тут на помощь приходят семиэмпирические и квазиклассические методы, а также уйма эвристик, упрощений и хитрых солверов.

Метан собранный усилиями Gamess

Структура 5XER обсчитанная с учетом окружения

Такого жанра расчеты часто проводятся при проектировании микроэлектроники, в материаловедении, дефектоскопии, медицине и общей химии, то есть в плане практики детище умов двадцатого века находит все больше применений.

Если кто-то проталкивает мысль, что волновая механика бесполезна или ничего не объясняет, то значит для него это слишком сложно. Все еще надеюсь, что экзамен по философии пройдет в устной форме, уж тогда-то можно будет отыграться за всю ту боль, что эти гуманитарии причиняли на лекциях 🙂

Однако, перейдем к самым спорным мысленным и реальным экспериментам.

Эксперимент Штерна—Герлаха

Хотя наибольшую популярность у общественности снискал опыт Юнга с двухщелевым интерферометром, зарекомендовавшийся как самый контринтуитивный подарок микромира, лично мне больше нравится в этом плане эксперимент Штерна—Герлаха 1922 года

Из печи выпускаются быстрые атомы серебра, которые проходя через сильное магнитное поле образуют на экране зеркальное напыление. Атомы металлов имеют сложную структуру, поэтому для пущей наглядности можно брать водород. Из-за движения электрона в окрестности атома должен возникать магнитный момент, и напрашивается предположение, что в магнитном поле атом ведет себя как маленький магнитик. Имея произвольную начальную ориентацию наши магнитики, испытывая отклонение при прохождении внешнего поля, должны распределиться на экране более-менее равномерно. Не тут-то было! На экране будут кучки, которые можно посчитать по пальцам, а значит магнитные свойства квантуются. Пришлось вводить спин — собственный момент — дающий, наряду с орбитальным, вклад в полный момент атома.

И вот измеряя, скажем, Z компоненту мы получаем на выходе из установки два пучка. Видимо электроны делятся на два сорта: на мальчиков и девочек. Теперь затащим в лабораторию рояль и минибар еще одну установку и опрокинем ее набок супротив первой, так чтобы на вход второй подавался один из потоков струящихся из первой.

И на выходе получаем опять два пучка. То есть в новом ортогональном направлении тоже есть свой вклад. Ну ладно, девочки бывают разные… Занесем пилоны и лаборанток еще установку и сориентируем вертикально пристроив к первым двум

И опять на выходе два пучка! Это пошатывает убежденность, что спин является объективной характеристикой, которая может существовать до взаимодействия с экспериментальной установкой. Надеюсь, вы достаточно заинтригованы. Подробные детали и обсуждение результатов каскадного эксперимента Штерна-Герлаха в рамках кубитной модели читайте в книге Квантовые вычисления и квантовая информация М. Нильсен, И. Чанг. Возможно, мы потом вернемся к этому опыту в рамках различных интерпретаций.

(todo: поискать эксперименты с различным временем пребывания в МП)

Тот самый кот

Я напомню, что во время одной прогулки Эйнштейн неожиданно остановился, повернулся ко мне и спросил, действительно ли я верю, что Луна существует только тогда, когда я смотрю на нее. Оставшаяся часть прогулки была посвящена обсуждению того, что физик должен понимать под словом «существовать».
А. Пэ

Часто кота Шрёдингера используют для нагнетания мистицизма. Этот мысленный эксперимент раздувают до парадокса, им пытаются объяснять сложность и противоречивость квантовой механики или даже утверждают, что ее суть передается этим мемом. В зависимости от уровня абстрактного и критического мышления люди застревают на разных этапах: кто-то начинает спор на счет пола животного, кто-то плачет, что кису жалко, некоторые начинают прикапываться к деталям установки, многие спорят о роли наблюдателя.

С наблюдением вообще отдельная история. В экспериментах под процессом наблюдения понимается взаимодействие исследуемой системы с измерительным прибором. Наблюдателем можно считать и газоразрядный счетчик Гейгера и фотодетектор с мультиметром, а не только человека слушающего треск и видящего показания на дисплее. Для квантовых систем важна их чистота достигаемая изоляцией от внешних воздействий. Именно тогда на достаточно больших временах эволюцию можно описывать уравнением Шрёдингера. Если вы, скажем, поставили детектор возле одной из щелей в опыте Юнга, то получается вы привнесли в систему наблюдателя — многочастичную хреновину ограничивающую пространственные степени свободы исследуемых объектов. Подробней этот вопрос раскрыт в книге Бома в 6 части. Там он очень даже неплохо для 50х годов прошлого века проследил процесс измерения вплоть до мозга экспериментатора.

Опять же, нюансы это вопрос интерпретации, но с точки зрения матаппарата всё довольно согласовано и пригодно для практических применений. К слову, если уж совсем не хочется работать с литературой и привычней разжеванный видеоконцентрат, то можно посмотреть хотя бы на материалы по теме от ребят из физтеха. При просмотре вспомнил про подобное объяснение для трехщелевого эксперимента (да, это тот, где выходят отрицательные вероятности) в лекциях по матрицам плотности от Никитина Н.В.

Вернемся к котикам. Объяснения этого эксперимента желательно смотреть не по бложикам и видосикам, а в крепкой литературе. Возможно вы заметите, что во многих монографиях мысленные эксперименты и философия поднимаются в конце, уже после изложения необходимого формализма. Тогда уже приходит понимание, что и кот и ЭПР возникли во времена, когда терминология только формировалась и многим хотелось таким образом выразить свое недовольство какими-либо нюансами. В частности Шредингер с котом хотели заострить внимание на грани между микро- и макро-.

Источником проблемы является неопределенность, связанная со статистической интерпретацией волновой функции, которая однозначно не определяет результат измерения. Все, что она дает, — это статистическое распределение возможных результатов.

В связи с этим возникает глубокий вопрос: действительно ли физическая система «имела» рассматриваемый атрибут до измерения (так называемая реалистическая точка зрения), или же сам акт измерения «создал» это свойство, ограниченное лишь амплитудой вероятности (ортодоксальная позиция). Или же мы можем списав на метафизику сказать, что никакого смысла в этих спорах нет (агностика ответ).

Согласно реализму, квантовая механика — это неполная теория, ибо даже если вы знаете все, что квантовая механика может рассказать вам о системе, вы все равно не можете определить все ее особенности. Очевидно, существует и другая информация, внешняя по отношению к квантовой механике, которая необходима для полного описания физической реальности. Тут уже появляются теории со скрытыми переменными, парочку из которых вместе с неравенствами Белла рассмотрим позже.

Ортодоксальная позиция поднимает еще более тревожные проблемы, ибо если акт измерения заставляет систему «занять позицию», помогая создать атрибут, которого раньше не было, то в процессе измерения есть что-то очень своеобразное. Более того, чтобы объяснить тот факт, что немедленно повторенное измерение дает тот же самый результат, мы вынуждены предположить, что акт измерения разрушает волновую функцию таким образом, который в лучшем случае трудно согласовать с нормальной эволюцией, предписанной уравнением Шредингера. В свете этого неудивительно, что многие поколения физиков отступили на позиции агностиков и советовали своим ученикам не тратить время на размышления о концептуальных основах теории.

В период становления копенгагенской интерпретации, которая была сколочена на скорую руку, многие не соглашались с постулированным существованием объективной случайности и с нелокальностью коллапса волновой функции. В последующих трактовках ортодоксальной интерпретации сошлись на нефизичности коллапса, а для решения многих проблем ввели декогеренцию — разрушение самосогласованного состояния при запутывании квантовых объектов. В частности, проблема с котом решилась тем, что механизм приводящий в действие машину смерти производит измерение квантовой системы, непреклонно вынуждая ее принять значение из спектра собственных чисел.

Такое решение, по крайней мере, позволяет избежать отупляющего солипсизма Вигнера и других, которые убеждали себя, что именно вовлеченность человеческого сознания составляет измерение в квантовой механике. Частью проблемы является само слово «измерение» или «наблюдение», которое, безусловно, несет в себе намек на человеческое участие. Гейзенберг предложил слово «событие», которое, возможно, было бы предпочтительнее. Но ничего не поделаешь, термин устоялся и еще долго будет импонировать доморощенным упразднителям мирового заговора и бередить слух вовлеченных в тему.

Касательно ЭПР и неравенств Белла можно будет поговорить уже в рамках интерпретаций. Конечно, чтобы развеять иллюзии и непонимание каждый должен сам пройти через тонны литературы и исписанных тетрадей. Да, довольно субъективно, но я испытал это на своей шкуре, от отторжения того что вдалбливают на лекциях и уверенности, что всем просто пудрят мозги, до получения формул совпадающих с результатами экспериментов.

Будет сложно, но оно стоит того. Чтобы ни говорили про религиозные тексты (кстати, именно Библия убила во мне христианина), о том как они расставляют все на свои места и дают ответы на сокровенные вопросы, они не сравнятся с красотой математики различных формализмов, с хитросплетением связей разделов физики, с объяснительной мощью эволюционной теории и с простотой фундаментальных принципов, порождающих многообразие вселенских масштабов. Познание открывает взору все больше красоты окружающего мира. А разве не в этом состоит смысл жизни?