Świat bardzo, bardzo małych jest cudowną krainą dziwności. Cząsteczki, atomy i ich cząstki składowe nie od razu ujawniały swoje tajemnice naukowcom, którzy zmagali się z fizyką atomów na początku XX wieku. Dramat, frustracja, złość, zdziwienie i załamania nerwowe obfitowały w obfitość i teraz, całe stulecie później, trudno nam zrozumieć, o co toczy się gra. To, co się wydarzyło, było ciągłym procesem burzenia światopoglądu. Być może będziesz musiał zrezygnować z wiary we wszystko, o czym myślałeś, że jest prawdą. W przypadku pionierów fizyki kwantowej oznaczało to zmianę ich rozumienia zasad rządzących zachowaniem materii.

 

Energia strun

W 1913 roku Bohr opracował model atomu, który wyglądał trochę jak miniaturowy układ słoneczny. Elektrony poruszały się wokół jądra atomowego po kołowych orbitach. Bohr dodał kilka zwrotów akcji do swojego modelu — zwrotów akcji, które nadały im zestaw dziwnych i tajemniczych właściwości. Skręty były konieczne, aby model Bohra miał moc wyjaśniającą — to znaczy, aby mógł opisywać wyniki pomiarów eksperymentalnych. Na przykład orbity elektronów były ustalone jak tory kolejowe wokół jądra. Elektron nie mógł znajdować się pomiędzy orbitami, w przeciwnym razie mógłby wpaść do jądra. Po dotarciu do najniższego szczebla drabiny orbitalnej elektron pozostał tam, chyba że przeskoczył na wyższą orbitę.

 

Wyjaśnienie, dlaczego tak się stało, zaczęło pojawiać się wraz z pomysłem de Broglie'a, że ​​elektrony można postrzegać zarówno jako cząstki, jak i fale. Ta dwoistość falowo-cząsteczkowa światła i materii była zaskakująca, a zasada nieoznaczoności Heisenberga nadawała jej precyzji. Im dokładniej zlokalizujesz cząstkę, tym mniej dokładnie wiesz, jak szybko się porusza. Heisenberg miał swoją teorię mechaniki kwantowej, złożone urządzenie do obliczania możliwych wyników eksperymentów. To było piękne, ale niezwykle trudne do obliczenia.

 

Nieco później, w 1926 roku, austriacki fizyk Erwin Schrödinger wpadł na wielki pomysł. Co by było, gdybyśmy mogli napisać równanie tego, co elektron robi wokół jądra? Ponieważ de Broglie zasugerował, że elektrony zachowują się jak fale, byłoby to jak równanie falowe. To był prawdziwie rewolucyjny pomysł, który zmienił nasze rozumienie mechaniki kwantowej.

 

W duchu elektromagnetyzmu Maxwella, który opisuje światło jako falujące pola elektryczne i magnetyczne, Schrödinger poszukiwał mechaniki falowej, która mogłaby opisać fale materii de Broglie'a. Jedną z konsekwencji idei de Broglie'a było to, że skoro elektrony były falami, to można było wyjaśnić, dlaczego dozwolone są tylko określone orbity. Aby zobaczyć, dlaczego tak jest, wyobraź sobie sznurek trzymany przez dwie osoby, Annę i Boba. Ana szarpie nim szybko, tworząc falę skierowaną w stronę Boba. Jeśli Bob zrobi to samo, fala przesunie się w stronę Any. Jeśli Ana i Bob zsynchronizują swoje działania, pojawi się fala stojąca, wzór, który nie porusza się w lewo ani w prawo, i który pokazuje między nimi stały punkt zwany węzłem. Jeśli Ana i Bob poruszają rękami szybciej, znajdą nowe fale stojące z dwoma węzłami, potem z trzema węzłami i tak dalej. Możesz także generować fale stojące, szarpając strunę gitary o różnej sile, aż znajdziesz fale stojące o różnej liczbie węzłów. Istnieje zgodność jeden do jednego między energią fali stojącej a liczbą węzłów.

 

Dziedzictwo Urodzonych

De Broglie przedstawił elektron jako falę stojącą wokół jądra. W związku z tym tylko niektóre wzorce wibracyjne pasowałyby do zamkniętego koła – orbit, z których każda charakteryzuje się określoną liczbą węzłów. Dozwolone orbity zostały zidentyfikowane na podstawie liczby węzłów fali elektronowej, z których każdy ma swoją energię właściwą. Mechanika falowa Schrödingera wyjaśniła, dlaczego obraz elektronu jako fali stojącej de Broglie'a był dokładny. Ale poszedł znacznie dalej, uogólniając ten uproszczony obraz na trzy wymiary przestrzenne.

 

W serii sześciu niezwykłych artykułów Schrödinger sformułował swoją nową mechanikę, z powodzeniem zastosował ją do atomu wodoru, wyjaśnił, w jaki sposób można ją zastosować do uzyskania przybliżonych odpowiedzi w bardziej skomplikowanych sytuacjach, i udowodnił zgodność swojej mechaniki z mechaniką Heisenberga.

 

Rozwiązanie równania Schrödingera było znane jako funkcja falowa. Początkowo myślał o tym jako opisując samą falę elektronową. Było to zgodne z klasycznymi koncepcjami ewolucji fal w czasie, zgodnie z determinizmem. Biorąc pod uwagę ich początkową pozycję i prędkość, możemy użyć ich równania ruchu, aby przewidzieć, co stanie się w przyszłości. Schrödinger był szczególnie dumny z tego faktu — że jego równanie przywróciło pewien porządek pojęciowemu bałaganowi spowodowanemu przez fizykę atomową. Nigdy nie podobał mu się pomysł „skakania” elektronu między dyskretnymi orbitami.

 

Jednak zasada nieoznaczoności Heisenberga zrujnowała tę deterministyczną interpretację funkcji falowej. W świecie kwantowym wszystko było rozmyte i nie można było dokładnie przewidzieć ewolucji czasowej elektronu, czy to cząstki, czy fali. Pojawiło się pytanie: co zatem oznacza ta funkcja falowa?

Fizycy byli zagubieni. Jak można pogodzić falowo-cząsteczkowy dualizm materii i światła oraz zasadę nieoznaczoności Heisenberga z piękną (i ciągłą) mechaniką falową Schrödingera? Znowu potrzebny był radykalny nowy pomysł i znowu ktoś go miał. Tym razem przyszła kolej na Maxa Borna, który oprócz tego, że był jednym z głównych architektów mechaniki kwantowej, był także dziadkiem gwiazdy rocka lat 1970., Olivii Newton-John.

 

Born zaproponował, słusznie, że mechanika falowa Schrödingera nie opisuje ewolucji fali elektronowej, ale prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w tej lub innej pozycji w przestrzeni. Rozwiązując równanie Schrödingera, fizycy obliczają, jak to prawdopodobieństwo ewoluuje w czasie. Nie możemy z całą pewnością przewidzieć, czy elektron znajdzie się tu, czy tam. Prawdopodobieństwo znalezienia go tu czy tam możemy podać dopiero po dokonaniu pomiaru. W mechanice kwantowej prawdopodobieństwo ewoluuje deterministycznie zgodnie z równaniem falowym, ale sam elektron nie. Ten sam eksperyment, powtarzany wiele razy w tych samych warunkach, może dać różne wyniki.

 

Superpozycja kwantowa

To dość dziwne. Po raz pierwszy fizyka ma równanie, które nie opisuje zachowania czegoś fizycznego należącego do obiektu — takiego jak położenie, pęd lub energia kuli lub planety. Funkcja falowa nie jest czymś rzeczywistym na świecie. (Przynajmniej dla tego fizyka tak nie jest. Wkrótce zajmiemy się tym kłopotliwym problemem). Kwadrat — jego wartość bezwzględna, ponieważ jest to wielkość zespolona — daje prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w określonym punkcie przestrzeni raz dokonywany jest pomiar. Ale co dzieje się przed pomiarem? Nie możemy powiedzieć. Mówimy, że funkcja falowa jest superpozycją wielu możliwych stanów elektronu. Każdy stan reprezentuje pozycję, w której elektron może się znaleźć po wykonaniu pomiaru.

 

Prawdopodobnie przydatnym obrazem (wszystkie są niepewne) jest wyobrazenie sobie siebie w ciemnym pokoju, idącego w kierunku ściany, na której wisi wiele obrazów. Światła włączają się, gdy dotrzesz do określonego miejsca na ścianie, przed obrazem. Oczywiście wiesz, że jesteś samotną osobą idącą w kierunku jednego z obrazów. Ale gdybyś był subatomową cząstką, taką jak elektron lub foton, wiele kopii ciebie zmierzałoby jednocześnie w kierunku ściany. Byłbyś w superpozycji wielu was, a tylko jedna kopia dotarłaby do ściany i spowodowała włączenie światła. Każda twoja kopia miałaby inne prawdopodobieństwo dotarcia do ściany. Powtarzając eksperyment wiele razy, te różne prawdopodobieństwa są odkrywane.

 

Czy wszystkie kopie poruszające się w ciemnym pokoju są prawdziwe, czy tylko ta, która uderza w ścianę i zapala światło? Jeśli tylko ten jest prawdziwy, jak to się stało, że inni również mogli uderzyć w ścianę? Ten efekt, znany jako superpozycja kwantowa, jest prawdopodobnie najdziwniejszy ze wszystkich. Tak dziwna i fascynująca, że ​​zasługuje na cały artykuł.

Tłumacz