А знаете, что еще не нормально с этой нелокальностью, коллеги?

Если вы вспомните вторую главу, там, где мы обсуждали одновременность, то вы можете предположить страшную штуку: а что если выбрать такую систему отсчета, в которой замер протона сначала произойдет в Питере, а затем в Новосибирске? Это что же получается, следствие начинается раньше причины? В теории относительности, как ни пыжься, такого не бывает: сначала причина, потом следствие. Утром стулья, вечером деньги, как подсказывают мудрые классики! А с квантовой телепортацией это прокатывает.

Однако спокойствие, товарищи. Теория относительности и квантовая механика хоть и противоречат друг другу, но на территорию друг друга не заходят. Выяснилось, что вообще-то теория относительности запрещает не столько мгновенное взаимодействие, сколько передачу информации с превышающей свет скоростью. Видите ли, квантовую телепортацию не получится приспособить в качестве передатчика полезного сигнала: ни радио, ни вайфая из нее не слепишь. А все почему? Вы не сможете передать в Новосибирск требуемое значение спина, потому при каждом измерении своего протона в Питере вы будете, как уже и говорилось, получать случайное значение спина. Какая тут осмысленная передача информации? Обычный белый шум, хоть и транслирующийся мгновенно.

Но вот если совместить квантовую телепортацию с классическими средствами передачи сигнала, то можно сочинить кое-какие интересные алгоритмы для издевательств над квантовым состоянием запутанных частиц. Так ученые пришли к идее квантовых компьютеров. Но это уже другая история.

Итак, мы немного втянулись в мир квантовой механики и, надеемся поняли, что ничего не поняли, но осадочек остался. На этом можно бы уже и остановится, потому что дальнейшая квантовая физика полностью уходит в математику и многомерные пространства. Но, возможно, у нас есть еще чем поудивлять оптимистично настроенного читателя. До встречи в следующих главах.

Глава 14

Электрон в атоме

Сегодня, наши дорогие любители странного, мы неожиданно поговорим про эту вашу химию. Но не пугайтесь раньше времени, это будет рассказ о том, как работает химия с точки зрения физики и конкретно квантовой механики. Наверняка вы проходили это в школе, ничего не поняли, кое-как сдали экзамен и благополучно забыли. Теперь настало время это повторить и восхититься (или ужаснуться), мол, вот оно как на самом-то деле. Спешим успокоить запаниковавшего читателя. Никаких химических формул не будет. Причиной всего является поведение электронов в атоме. И об этом речь и пойдет.

Мы не собираемся изобретать новые аналогии и начнем с классического объяснения: мысленного эксперимента про электрон в коробке.

Представим, что у нас электрон заключен в одномерный наноящик — это, значит, такой малюсенький ящичек, в котором электрон может двигаться только влево или вправо. Маленьким он взят для наглядности и сопоставимости размеров с электроном. У стенок волшебного ящика имеется важная особенность, тоже выдуманная: электрон не может вылететь за них, они непроницаемы для электрона. Ему приходится размазываться по имеющемуся в ящике одномерному пространству. Как мы помним, до тех пор, пока мы его не трогаем (то есть не наблюдаем), электрон одновременно находится в каждой точке ящика. При этом энергия электрона не может быть нулевой. Принцип неопределенности Гейзенберга запрещает нулевые энергии, как вы помните. Поэтому электрон в такой коробке постоянно в «движении», что бы это ни значило.

Однако в безумном квантовом мире есть свои законы и порядки: вероятности материализации электрона для выбранных двух соседних точек не могут меняться резко, типа вот тут мы обнаружим электрон с вероятностью 90 %, а рядом (при смещении на очень малую величину) — 2 %. Кванты квантами, а волновая функция не просто так названа — она показывает вероятности положения электрона плавно, без, так сказать, резких движений.

И возле стенок ящика получается некоторое несоответствие. Если стенки непроницаемы, то за ними совершенно логично мы наблюдаем нулевую вероятность обнаружения электрона. И, значит, распределение вероятностей электрона в ящике должно выглядеть так, чтобы при приближении к стенкам вероятность убывала до нуля.

Вот на картинке показано, как оно может быть, а как не может быть. Не забываем, что вероятность обнаружения электрона равна квадрату высоты (или глубины) гребня в данной точке. А уж вниз направлен гребень волны или вверх, это не важно: возводим амплитуду в квадрат, и все странности заметаются под ковёр!

Вообще, если подумать, то ничто не запрещает нам, то есть не нам, конечно, а электрону разделить свои вероятности на два максимума (гребня). Или на три. И даже на четыре. Лишь бы выполнялось условие плавного изменения вероятностей, и на границах ящичка эти вероятности равнялись бы нулю.

Взгляните, какие варианты имеются у электрона для красивой упаковки в наноящике:

Как всегда пытливый читатель может спросить, это что же получается, если электрон летит справа налево или наоборот, то в тех местах, где амплитуда вероятности равна нулю, его физически не будет? Он как бы проигнорирует эти точки в нанокоробке и в процессе движения телепортируется через проблемные места? Ответ квантовой механики, как всегда, однозначен: и да, и нет. Движение квантового объекта — не то же самое, что полет пули или брошеного камня. Электрон, напомним еще раз, находится во всех точках коробки, в том числе и там, где мы его никогда не найдем. Мы говорим лишь о вероятностях обнаружения частицы в определенных местах в определенное время, а не о ее фактическом местонахождении. И в случае движения электрона в подобной коробке классическое понятие траектории не имеет смысла, хотя электрон обладает импульсом, который в свою очередь является следствием движения частицы. В общем, электрон двигается, однако выглядит это немного странно и не по-человечески.

Но вернемся к гребням волн. Нарисовывается хороший вопрос: а когда у электрона возникает необходимость разделить свои максимумы волны вероятности на два и более? Отвечаем: это происходит в случае, если электрон где-то отхватывает энергии — мы же, кажется, знаем, что частота волны частицы прямо пропорциональна энергии. Добавляя на ограниченном участке волне еще один гребень, мы увеличиваем частоту волны.  На этом примере просто замечательно демонстрируется сама суть квантования. Энергия электрона набирается не плавно, как скорость на акселераторе автомобиля, а скачками, прыжками, порциями, квантами! На примере наноящика при росте энергии электрона его волновая функция меняет свою форму. Электрон не сможет взять себе какую угодно энергию, а примет только такую, которая позволит ему приобрести еще один гребень в наноящике. В противном случае он сделает вид, что ничего не происходит.

Давайте сделаем умное лицо и назовем число гребней волновой функции в наноящике главным квантовым числом. На самом деле это очень важное число, и понимание его сути — отличный повод для гордости.  Когда меняется квантовое число, это значит, что электрон приобрел новое значение энергии. Как говорят физики: перешел на новый энергетический уровень.

Нарисуем классическое изображение энергетических уровней электрона из учебников, которое теперь стал чуть-чуть понятнее и больше не будет сниться в кошмарах спустя годы.  Забавный факт: у электрона не может быть нулевого квантового числа, а значит и нулевой энергии. Это серьезнейшее отличие частицы от объекта из макромира.