«Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе»

Каковы особенности квантового мира? Что делает квантовый компьютер? Как интерпретации квантовой механики подталкивают нас к философским заключениям о возможном устройстве реальности? В книге «Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе» (издательство «Альпина нон-фикшн») физик Алексей Семихатов рассказывает о главных положениях, логике и недосказанностях квантовой механики. Книга вошла в длинный список премии «Просветитель» 2024 года. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом о том, что такое спин электрона и как определить, куда он направлен.

Что от вращения

Открытая Эйнштейном, замеченная и названная Шрёдингером запутанность довольно долго вела малособытийное существование вдали от центральных тем квантовой теории. В начале 1950-х годов — когда в ведении квантовой науки оказалась ядерная энергия, из-за чего много изменилось и в мире, и в этой науке, и в их взаимоотношениях, — Бом придал запутанности более выразительный вид, использовав для этого уникальное квантовое свойство — спин. Ее, впрочем, некоторое время продолжали не замечать и в этом новом наряде, но уж теперь, когда запутанность набрала настоящую популярность, запутанными неизменно оказываются спины.

Чтобы двигаться вперед, нам нужен спин! Это свойство как никакое другое показывает, что наш мир — квантовый в своей основе. Спин не имеет прямого классического аналога, но существенно влияет на судьбу всех элементарных объектов; он фигурирует не только в самом популярном варианте запутанности, но и во многих иных принципиально важных явлениях. Он, в частности, отвечает за точный вид таблицы Менделеева. Откладывать знакомство со спином далее невозможно.

Что такое спин для нашего доброго друга — электрона? Если угодно, это его «второе неотъемлемое свойство». С первым неотъемлемым мы уже многократно встречались, и я его даже не каждый раз упоминаю: это электрический заряд. Заряд позволяет электрону взаимодействовать с электрическим полем (например, получать от него энергию движения — что, собственно, происходило в телевизорах XX века и что продолжает использоваться в ускорителях). А свое второе неотъемлемое свойство электрон проявляет во взаимодействии с магнитным полем, потому что это свойство делает электрон похожим на магнит неопределенно малого размера. Магнитных свойств в отсутствие электрического заряда у электрона не было бы, но одного заряда недостаточно. Нужно, кроме того, что-то вроде вращения — настолько, насколько это возможно в квантовом мире.

А там, как мы видели в главе 4, вращение теряет наглядность. Из-за вражды невозможно указать ось вращения, и из трех величин, которые нужны для привычного описания этого явления, определены только две, причем и они могут принимать только дискретные значения. Мы называли их атрибутами вращения, потому что это те «остатки» от наглядной картины вращения, которые только и возможны в квантовой механике. Каждый электрон в атоме обладает какими-то атрибутами вращения, но в этой главе нас в первую очередь интересуют электроны сами по себе, вне всякой связи с атомами. Любой электрон, оказывается, обладает своими собственными атрибутами вращения, хотя внутри него ничего подходящего для вращения нет, потому что никакого «внутри» тоже .

Отказаться от своих атрибутов вращения электрон не может. Они всегда с ним, причем в значительной степени фиксированы количественно: строго определенная «степень раскрутки» приделана к электрону раз и навсегда. Как и все остальное, связанное с электроном, это его качество «никак не выглядит» (не имеет визуального образа), однако проявляет себя в виде магнитных свойств, поскольку у электрона есть еще и электрический заряд. Правда, из-за отягощенности враждой магнит из электрона получается не совсем обычный.

В отношении обычных магнитов у нас есть определенные ожидания. Каждый магнит ориентирован вдоль какой-то линии в пространстве, просто потому что у него есть два полюса, через которые можно мысленно провести прямую. Если договориться проводить ее от южного магнитного полюса к северному, то каждый магнит определит какое-то направление в пространстве. Даже если магнит очень маленький и два полюса находятся совсем близко друг к другу, такое направление все равно задано. Удобно изображать магнит стрелкой: направлена она так, как только что было сказано, а ее длина условно выражает «силу» магнита. Это, конечно, воображаемая стрелка, но не требуется особенно развитой фантазии, чтобы ее себе представить — ведь два полюса у магнита всегда есть.

Магнит, которым является электрон, тоже определяет направление, хотя там нет ничего похожего на отделенные друг от друга южный и северный магнитные полюса. И «сила» этого магнита всегда фиксирована — она одна и та же для всех электронов во всех условиях, аналогично ситуации с зарядом электрона. Попробовав изображать магнитные свойства электронов стрелками, мы сразу поймем, что стрелки различаются только своими направлениями, а не длиной, раз все магниты одинаковы по силе. Но дальше оказывается, что в случае электрона стрелка приобретает «волшебные» черты. Если сформулировать одной фразой, то «как ни поворачивайся, нельзя посмотреть на нее сбоку». Это, конечно, метафора (уж во всяком случае в отношении слова «посмотреть»), но за ней стоит фундаментально квантовое поведение — буквально квинтэссенция несговорчивости из-за квантовой вражды.

Представьте себе, что вы получаете электрон, по своему усмотрению выбираете направление в пространстве и интересуетесь, под каким углом к этому направлению повернута та самая «магнитная» стрелка этого электрона. Для этого имеется прибор, названный по именам двух ученых, впервые применивших его в 1922 году (первоначально к ионам серебра), — прибор Штерна — Герлаха. Никакой разговор о спине не может обойтись без прибора Штерна — Герлаха; это не только реально существующее устройство, но и основной фигурант множества рассуждений и мысленных экспериментов, проясняющих структуру квантовых законов.

Задача прибора — сортировать влетающие в него миниатюрные магниты в зависимости от их ориентации. Для этого там создается магнитное поле особой конфигурации, которое отклоняет летящие магниты в зависимости от того, как их «магнитные стрелки» повернуты по отношению к этому магнитному полю. Отклонения фиксируются по следам, которые остаются на специальном экране, стоящем за прибором. Если магнитное поле, созданное в приборе, направлено вдоль вертикали, то будут наблюдаться отклонения вверх или вниз — на любую величину в интервале от максимального вверх до максимального вниз. В частности, вообще никакого отклонения не должно наблюдаться в том случае, когда «магнитная стрелка» ориентирована горизонтально, под углом 90° к направлению магнитного поля в приборе.

Но это если у вас обычные магниты. Электроны же ни в какие промежуточные положения не попадают, они вылетают только с двумя крайними вариантами отклонения. Это значит, что стрелка, выражающая магнитные свойства электронов, смотрит или точно «вперед», или точно «назад» вдоль выбранного направления. Ничего посередине, никаких промежуточных положений не случается.

Неожиданно! Ведь выбор, скажем, вертикального направления в приборе Штерна — Герлаха — произвольное решение. Выберем другое, просто наклонив прибор. Результат получается тот же, что и раньше, но в отношении нового направления: только два крайних отклонения вдоль этого направления, а это значит, что «волшебные стрелки» всех электронов смотрят или строго вдоль него или строго противоположно.

Никто, кстати, не говорит «стрелка» или тем более «волшебная стрелка»: все говорят «спин». Итак: спин электрона всегда направлен или вдоль выбранного направления, или в точности противоположно ему (угол 0° или 180°, и никакой другой). Любого направления.

Кажется, что здесь скрывается противоречие и вроде бы несложно изобрести простую стратегию, чтобы его выявить. Используем, как и ранее, прибор Штерна — Герлаха, измеряющий спин вдоль вертикального направления, и будем посылать в него электроны один за одним. Те, которые отклонились вверх, имеют, значит, спин, направленный вверх. С ними, кажется, все понятно: если не давать им удариться об экран, а отправить во второй, точно такой же, прибор Штерна — Герлаха, то все они продемонстрируют спин вверх. Но теперь положим этот второй прибор на бок — так, чтобы он отклонял пролетающие через него магниты вдоль горизонтального направления, скажем, слева направо. В спине каждого из отобранных электронов нет никакого предпочтения между левым и правым, поскольку угол между вертикальным и горизонтальным направлениями — прямой. А значит, второй прибор не отклонит электроны ни влево, ни вправо?

Ничего подобного. Каждый электрон отклонится одним из двух крайних способов — максимально влево или максимально вправо — сообщая тем самым о своем спиновом состоянии «спин влево» или «спин вправо». Но чем же может определяться выбор?

Ничем. Природа прибегает здесь к спасительной — той самой немотивированной — случайности. Результаты «спин влево» и «спин вправо» чередуются в случайном порядке от одного электрона к другому, а про каждый конкретный электрон нет способа предсказать, какой из двух вариантов получится.

А теперь вспомним про исходное вертикальное направление спина: с ним-то как? Направим электроны из второго прибора Штерна — Герлахав третий, который снова измеряет спин вдоль вертикального направления. Оказывается, что от исходно отобранных спинов вверх не осталось даже воспоминаний: электроны показывают случайно чередующиеся «спин вверх» и «спин вниз», причем в равных пропорциях. Хотя с самого начала мы отобрали электроны со спином вверх, измерение спина вдоль другого направления стирает воспоминания о том, каков был спин до того.

Подведем промежуточный итог. Измерение спина электрона всегда дает один из двух результатов: «спин вперед» или «спин назад» вдоль направления, выбранного для измерения. Оно, это направление, может быть любым, но только каким-то одним; значения спина вдоль разных направлений не прикрепляются к электрону одновременно. Это — прямое следствие вражды, связанной с идеей вращения.

Подробнее читайте:
Семихатов А. Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе / Алексей Семихатов. — М. : Альпина нон-фикшн, 2024. — 372 с. : ил.