Вся физика в 15 уравнениях

Первое квантовое головокружение

На самом деле нет никакой необходимости в каких-либо двусмысленных «пси» или «психо» либо телепортации, чтобы почувствовать квантовое головокружение. Студенты сначала изучают уравнение Шредингера в университете. Поскольку им мало что известно об истории наук (по крайней мере, во Франции) и недостаточно времени предоставляется, чтобы познакомиться со всеми экспериментами и той линией теоретических рассуждений, которая их предваряла, думающие студенты вполне обоснованно задаются вопросом: как Шредингер открыл это уравнение буквально на кончике пера? Однако само по себе данное уравнение очень простое, поэтому первый практический расчет можно выполнить довольно быстро.

Пример № 1. В некоем материале высверливается небольшое отверстие, на дне которого находится частица (или просто очень маленький шарик). Необходимо рассчитать движение частицы. Если правильно подставить все константы и корректно определить переменные, решение уравнения окажется элементарным. Результат немного странный, но вполне понятный: решения, в котором эта частица неподвижна, просто не существует. Наименьшее допустимое движение — это не ноль (или неподвижность), а легкое колебание на дне скважины.

Затем следует еще один сюрприз: если мы захотим увеличить амплитуду движения, то не сможем выбрать ее произвольно, так как она должна быть кратна некой минимальной амплитуде: в два раза больше, в три раза больше и т. д.

Ну, действительно немного странно, хотя, казалось бы, в названии курса говорилось об этом: раз речь идет о квантовой механике, можно ожидать сколько угодно чудес. Однако ничего революционного: амплитуды движения квантуются, вместо того чтобы изменяться непрерывно, как в классической механике. Но и это еще не столь великое потрясение, которого ожидали студенты! Что обнадеживает: ситуация представляется довольно знакомой, не такой уж далекой от «классической»…

Пример № 2. Рядом (или не очень) с первым отверстием высверливается второе. После чего частица опускается на дно первого, как в примере № 1. Решение этой задачи ненамного сложнее первой, и в результате получается формула для вероятности нахождения в первом отверстии, которая выглядит чуть сложнее. Затем следует продолжение задачи: нужно вывести вероятность нахождения частицы во втором отверстии. Мы тщательно вычисляем и вдруг обнаруживаем, что… эта вероятность не равна нулю. Опять проводим все вычисления, дабы проверить, что ничего не забыли и не перепутали параметр или знак. Но нет: помещая частицу в отверстие (1), существует ненулевая вероятность найти ее в отверстии (2).

Все просто и понятно. Нет никакой «классической» аналогии или интуиции, на которую можно было бы опереться: добро пожаловать в квантовый мир!