Чому квантова механіка кидає виклик фізиці

Повна, дивна історія квантового світу занадто велика для однієї статті, але період від 1905 року, коли Ейнштейн вперше опублікував своє рішення фотоелектричної головоломки, до 1960-х років, коли повний, добре перевірений, суворий і шалено складна квантова теорія субатомного світу нарешті з’явилася, це цілком історія.

Ця квантова теорія забезпечить своїм власним повним і повним переглядом нашого розуміння світла. У квантовій картині субатомного світу те, що ми називаємо електромагнітною силою, насправді є продуктом незліченних мікроскопічних взаємодій, роботи неподільних фотонів, які взаємодіють таємничими способами. Як і в буквальному сенсі таємничий. Квантова структура не дає уявлення про те, як насправді відбуваються субатомні взаємодії. Натомість він просто дає нам математичний інструментарій для розрахунку прогнозів. І хоча ми можемо відповісти на питання про те, як насправді працюють фотони, лише знизавши плечима, ми принаймні маємо певну силу прогнозування, яка допомагає заспокоїти біль квантової незрозумілості.

У квантовій механіці займатися фізикою, тобто використовувати математичні моделі для прогнозування для перевірки експерименту, досить важко. І це через той простий факт, що квантові правила не є звичайними правилами, і що в субатомному царстві всі ставки не враховані.

Взаємодії та процеси на субатомному рівні не керуються передбачуваністю та надійністю макроскопічних процесів. У макроскопічному світі все має сенс (головним чином тому, що ми еволюціонували, щоб зрозуміти світ, у якому живемо). Я можу кинути м’яч дитині стільки разів, щоб її мозок міг швидко вловити надійну схему: м’яч покидає мою руку, м’яч йде по дузі, м’яч рухається вперед і зрештою падає на землю. Звичайно, існують варіанти залежно від швидкості, кута й вітру, але основна суть підкинутого м’яча завжди однакова.

Це не так у квантовому світі, де ідеальне передбачення неможливо, а надійних тверджень бракує. У субатомних масштабах імовірності правлять днем ​​— неможливо точно сказати, що будь-яка дана частинка зробить у будь-який момент. І ця відсутність передбачуваності та надійності спочатку викликала занепокоєння, а потім викликала огиду Ейнштейна, який зрештою залишив квантовий світ позаду, лише похитавши головою з жалем, дивлячись на помилкову роботу своїх колег. І тому він продовжив свою працю, намагаючись знайти єдиний підхід до об’єднання двох відомих сил природи, електромагнетизму та гравітації, з підкреслено не квантовою структурою.

Коли в 1930-х роках для пояснення глибинної роботи атомних ядер було вперше запропоновано дві нові сили — сильну та слабку ядерні сили, відповідно, — це не зупинило Ейнштейна. Як тільки електромагнетизм і гравітація були успішно об’єднані, не знадобилося б багато додаткових зусиль для роботи в нових силах природи. Тим часом його сучасники, які прихилялися до квантової теорії, із задоволенням сприйняли нові сили, зрештою об’єднавши їх у квантовий світогляд і структуру.

До кінця життя Ейнштейна квантова механіка могла описати три сили природи, тоді як гравітація була окремою, а його загальна теорія відносності стала пам’ятником його інтелекту та творчості.