Читать книгу "Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё"

Через несколько лет один молодой английский математик, увлеченный знаменитой теоремой Гёделя о неполноте, нашел хитроумный способ полностью переосмыслить этот вопрос. Этому событию суждено было навсегда изменить ход развития информатики.

Исключительные способности Алана Тьюринга проявились очень рано. Преподавательница начальной школы, у которой он учился, писала, что среди учеников есть «умные мальчики и усердные мальчики, но Алан – гений»{14}14
  Colin Drury, «Alan Turing: The Father of Modern Computing Credited with Saving Millions of Lives,» The Independent, July 15, 2019; www.independent.co.uk/news/uk/home-news/alan-turing-ps50-note-computers-maths-enigma-codebreaker-ai-test-a9005266.html.


[Закрыть]. Позже его признали отцом информатики и искусственного интеллекта.

Тьюринг яростно стремился овладеть математикой, несмотря на трудности и жесткое противодействие. Директор общеобразовательной школы, в которой он учился, активно пытался отвратить юношу от науки, утверждая, что «он напрасно тратит время». Но такое противодействие только еще больше укрепляло его решимость. Когда ему было 14 лет, из-за всеобщей забастовки в стране встал транспорт, но Алану так хотелось в школу, что он самостоятельно проехал почти 100 км на велосипеде, чтобы вовремя быть в классе.

Вместо того чтобы строить все более сложные суммирующие машины вроде разностной машины Бэббиджа, Алан Тьюринг со временем задал себе другой вопрос: существует ли математический предел тому, что может сделать механический вычислитель?

Иными словами, может ли компьютер доказать все?

Для этого ему нужно было сделать информатику строгой наукой, поскольку прежде она представляла собой всего лишь случайный набор не связанных между собой идей и изобретений чудаков-инженеров. Не существовало сколько-нибудь системного способа обсуждать такие вопросы, как предел вычислимого. Так что в 1936 г. он предложил концепцию того, что сегодня называют универсальной машиной Тьюринга, – обманчиво простое устройство, воплотившее в себе суть всякого вычисления и позволившее подвести под всю эту научную область прочное математическое основание. Сегодня машины Тьюринга – фундамент для всех современных компьютеров. Все они, начиная от гигантских суперкомпьютеров Пентагона и заканчивая сотовым телефоном в вашем кармане, представляют собой образцы машин Тьюринга. Не будет преувеличением сказать, что почти все современное общество построено на машинах Тьюринга.

Тьюринг представил себе бесконечно длинную ленту, разделенную на серию квадратиков, или клеток. В каждый квадратик можно вписать 0 или 1, а можно оставить его пустым.

Затем некий процессор читает эту ленту; ему разрешается производить по ней всего шесть простых операций. По существу, можно заменить 0 на 1 или наоборот, а также сдвинуть процессор на одну клетку влево или вправо:

1. Можно считать число в клетке.

2. Можно записать в клетку число.

3. Можно сдвинуться на одну клетку влево.

4. Можно сдвинуться на одну клетку вправо.

5. Можно изменить число в клетке.

6. Можно остановиться.

(Программа машины Тьюринга пишется на двоичном языке, а не в десятичной системе. В двоичной системе число один записывается как 1, число два – как 10, число три – как 11, число четыре – как 100 и т. д. Существует также память, где числа могут храниться.) Затем процессор дает на выходе окончательный численный результат.

Рис. 2. Машина Тьюринга

Машина Тьюринга состоит из: а) бесконечно длинной цифровой ленты, b) выходной цифровой ленты и c) процессора, который переводит входную информацию в выходную в соответствии с неким фиксированным набором правил. Это основа всех современных цифровых компьютеров.

Mapping Specialists Ltd.

Иными словами, машина Тьюринга может взять одно число и превратить его в другое, следуя точным командам, содержащимся в программе. Так что Тьюринг свел математику к игре: систематически заменяя 0 на 1 и наоборот, можно зашифровать всю математику.

В статье, где излагались эти идеи, Тьюринг показал при помощи краткого набора инструкций, что его машину можно использовать для выполнения всех арифметических действий, то есть она может складывать, вычитать, умножать и делить. Затем он использовал этот результат, чтобы доказать некоторые из наиболее сложных задач математики, перефразируя все с точки зрения вычислимости. Вся совокупность математики переписывалась с точки зрения вычислений.

Покажем, в частности, как решается на машине Тьюринга пример 2 + 2 = 4 и как это демонстрирует, что зашифровать таким образом можно всю арифметику. Начнем ленту с входного условия, заданного числом 2, или 010. Затем передвинемся к средней клетке, где стоит 1, и заменим ее на 0. Затем сделаем один шаг влево, где стоит 0, и заменим его на 1. Теперь на ленте имеем 100, что соответствует четырем. Обобщив эти команды, можно выполнить любую операцию, содержащую сложение, вычитание и умножение. Поработав еще немного, можно также научиться делить числа.

Затем Тьюринг задал себе простой, но важный вопрос: может ли пресловутая теорема Гёделя о неполноте, в которой задействована высшая математика, быть доказана с использованием его машины, которая, с одной стороны, намного проще, но, с другой, все же воплощает в себе суть математики?

Тьюринг начал с определения вычислимости. Он сказал, по сути, что теорема вычислима, если она может быть доказана за конечное время машиной Тьюринга. Если некая теорема требует бесконечного времени на машине Тьюринга, то для всех целей и намерений эта теорема не является вычислимой, и мы не знаем, верна она или нет. Следовательно, она недоказуема.

Говоря простыми словами, Тьюринг выразил поднятый Гёделем вопрос в компактной форме: существуют ли истинные утверждения, которые не могут быть вычислены машиной Тьюринга за конечное время при наличии заданного набора аксиом?

Как и работа Гёделя, Тьюринг показал, что ответ на этот вопрос – да.

Это, опять же, разрушило древнюю мечту доказать полноту математики, но разрушило интуитивно понятным и простым способом. Это означало, что, даже имея под рукой самый мощный в мире компьютер, невозможно доказать все истинные утверждения в математике за конечное время при заданном наборе аксиом.

Тьюринг со всей очевидностью доказал, что является математическим гением высочайшего класса. Но его исследования прервала Вторая мировая война. Во время войны Тьюринг служил в британском военном учреждении в Блетчли-парке недалеко от Лондона и выполнял сверхсекретную работу. Задачей Тьюринга и его коллег была расшифровка секретных нацистских кодов. Нацистские ученые создали машину, получившую название «Энигма», которая могла взять сообщение, записать его нераскрываемым шифром, а затем отправить зашифрованное сообщение в любую точку земного шара, если там располагались военные части нацистов. В зашифрованных сообщениях содержались самые важные инструкции в мире: планы нацистских вооруженных сил, в частности флота. От взлома шифров «Энигмы» зависела буквально судьба цивилизации.

Тьюринг и его коллеги, взявшись за эту важнейшую задачу, начали с того, что сконструировали вычислительные машины, способные систематически взламывать эти нераскрываемые шифры. Их первый результат, получивший название «бомба», в некоторых отношениях напоминал разностную машину Бэббиджа. Вместо предыдущих механизмов, похожих на паровые двигатели, с медленными и постоянно заклинивающими шестеренками и колесиками, сложными в изготовлении, в «бомбе» использовались электрические роторы, цилиндры и реле.

Но Тьюринг, кроме того, был задействован еще в одном проекте – «Колосс», нацеленном на создание более хитроумной конструкции. Историки считают, что это был первый в мире программируемый цифровой электронный компьютер. Вместо механических деталей, как в разностной машине или «бомбе», в нем использовались вакуумные трубки, способные посылать электрические сигналы со скоростью, близкой к скорости света. Вакуумные трубки можно сравнить с клапанами, которые управляют потоком воды. Поворачивая небольшую ручку, можно либо перекрыть воду, текущую в гораздо более крупной трубе, либо позволить ей течь беспрепятственно. Это, в свою очередь, может представлять число 0 или 1. Таким образом, система водяных труб и клапанов может быть своего рода цифровым вычислителем, где вода подобна электрическому току. В машинах Блетчли-парка целая батарея вакуумных трубок проводила цифровые вычисления с громадной скоростью, включая и выключая электрический ток в определенных трубках. Таким образом, в результате работы Тьюринга и других ученых аналоговый вычислитель был заменен цифровым компьютером. Один из вариантов «Колосса» содержал 2400 вакуумных трубок и занимал целую комнату.

Помимо того, что они быстрее, цифровые компьютеры обладают еще одним преимуществом по сравнению с аналоговыми системами. Представьте, что вам нужно сделать несколько экземпляров одной и той же картинки на офисном копировальном аппарате. Каждый раз, когда вы заново воспроизводите картинку, копируя ее, вы теряете некоторую часть информации. Если вы воспроизводите картинку снова и снова, со временем изображение все сильнее блекнет и в конечном итоге исчезает вовсе. Так в аналоговых системах всякий раз при копировании изображения могут возникать новые ошибки.

(А теперь сделаем иначе: оцифруем картинку, так чтобы она представляла собой последовательность нулей и единиц. Да, при оцифровке некоторая часть информации будет потеряна. Однако цифровое сообщение теперь можно копировать раз за разом практически без потерь на каждом цикле. Так что цифровые компьютеры могут быть намного более точными, чем аналоговые.

Кроме того, цифровые сигналы легко редактировать. Аналоговые сигналы, к примеру изображения, изменять чрезвычайно трудно. Но цифровые сигналы можно менять обычным нажатием кнопки с использованием простых математических алгоритмов.)

Под невероятным давлением военного времени Тьюринг и его команда сумели наконец взломать шифр нацистов где-то в 1942 г., что помогло нанести поражение германскому военному флоту в Атлантике. Вскоре союзники смогли проникнуть в самые глубокие секретные замыслы нацистских военных. Союзники получили возможность подслушивать приказы нацистов войскам и раскрывать их военные планы. Создание «Колосса» было завершено в 1944 г., как раз к итоговой высадке в Нормандии, к которой нацисты как следует не подготовились. Это окончательно решило судьбу нацистской империи.

Это были чрезвычайно масштабные прорывы, некоторые из них были увековечены в фильме 2014 г. «Игра в имитацию». Без ключевых достижений криптографов война могла затянуться еще на несколько лет, что привело бы к еще бо́льшим несчастьям и страданиям. По оценкам историков, таких как Гарри Хинсли, работа Тьюринга и других ученых в Блетчли-парке сократила войну примерно на два года и спасла более 14 млн жизней. Благодаря научным достижениям Тьюринга карта мира и жизнь огромного числа невинных людей изменились кардинально и бесповоротно.

В США те, кто создал атомную бомбу, были объявлены героями войны, сотворившими чудо, но в Великобритании Тьюринга ждала иная судьба. Из-за действовавших в стране законов о государственной тайне его достижения десятилетиями хранились в секрете и никто не знал о том громадном вкладе, который он внес в победу над врагом.

После войны Тьюринг вернулся к известной с незапамятных времен проблеме, которая увлекла его еще в юности: проблеме искусственного интеллекта. В 1950 г. свою эпохальную статью по этому вопросу он начал с заявления: «Предлагаю рассмотреть вопрос: могут ли машины думать?»

Или, говоря иными словами, является ли мозг своеобразной машиной Тьюринга?

Он устал от бесконечных, тянувшихся веками философских дискуссий о смысле понятий разум и душа, о том, что делает нас людьми. Он полагал, что в конечном счете все эти дискуссии бессмысленны, поскольку для разума не существовало никакого определяющего теста или критерия.

Так что Тьюринг предложил свой знаменитый тест. Посадите в изолированную комнату человека, а в соседнюю – робота. Вам разрешается задавать каждому из них любые вопросы в письменном виде и читать их ответы. Задача состоит в следующем: сможете ли вы определить, в какой из комнат находится человек? Сам Тьюринг назвал этот тест имитационной игрой.

В статье он писал: «Я уверен, что примерно лет через пятьдесят можно будет запрограммировать компьютеры с объемом памяти около 10⁹ так, чтобы заставить их играть в имитацию настолько хорошо, что у среднестатистического опрашивающего после пяти минут опроса будет шанс правильно определить, машина ли это, не более чем на 70 %»{15}15
  Alan Turing, «Computing Machinery and Intelligence,» Mind 59 (1950): 433–60; https://courses.edx.org/asset-v1:MITx+24.09x+3T2015+type@asset+block/5_turing_computing_machinery_and_intelligence.pdf.


[Закрыть].

Тест Тьюринга заменяет бесконечные философские дебаты испытанием, которое легко провести и которое дает простой ответ – да или нет. В отличие от философского вопроса, ответа на который часто не существует, этот тест вполне разрешим.

Более того, тест позволяет обойти скользкий вопрос о «мышлении», поскольку просто сравнивает действия робота с тем, что может делать человек. Нет нужды определять, что мы имеем в виду, когда говорим о понятиях «разум», «мышление» или «интеллект». Иными словами, если нечто выглядит и действует как утка, то, может быть, это и есть утка, как ее ни определяй. Тьюринг дал рабочее определение разума.

До сих пор ни одна машина не может стабильно проходить тест Тьюринга. Каждые несколько лет СМИ поднимают шум, когда этот тест проводится, но каждый раз судьи оказываются в состоянии различить человека и машину, даже если машине разрешается лгать и выдумывать факты.

Несчастливая случайность положила конец исследовательской работе Тьюринга.

В 1952 г. дом Тьюринга ограбили. Прибыв на место для расследования, полиция обнаружила в доме свидетельства того, что Тьюринг был геем. Он был арестован и осужден по Закону 1885 г. о поправках к уголовному законодательству. Наказание по нему было весьма суровым. Ему предоставили выбор между тюрьмой и некой гормональной процедурой. Когда он выбрал последнюю, ему дали диэтилстилбестрол – синтетическую форму женского полового гормона эстрогена. Из-за этого препарата у него начала расти грудь и он стал импотентом. Такое спорное лечение продолжалось год. Затем однажды Тьюринга нашли дома мертвым. Он умер от смертельной дозы цианида. Сообщалось, что рядом с ним лежало наполовину съеденное отравленное яблоко; по мнению некоторых, таким образом он совершил самоубийство.

Это была настоящая трагедия: один из творцов компьютерной революции, который помог спасти миллионы жизней и обеспечить победу над фашизмом, был в определенном смысле погублен своей собственной страной.

Но его наследие продолжает жить в каждом цифровом компьютере на нашей планете. Сегодня любой компьютер на Земле обязан своей архитектурой машине Тьюринга. Вся мировая экономика зависит от инноваций, предложенных этим человеком.

Но это только начало нашей истории. Работа Тьюринга строилась на фундаменте так называемого детерминизма, то есть идеи о том, что будущее предопределено. Это значит, что если несколько раз ввести в машину Тьюринга задачу, то каждый раз вы будете получать один и тот же ответ. В этом смысле все предсказуемо.

Поэтому, если бы Вселенная представляла собой машину Тьюринга, то все будущие события в ней были бы предопределены в момент ее рождения.

Но другой революции в наших представлениях о мире суждено было разрушить эту идею. Детерминизм был свергнут. Точно так же, как Гёдель, Тьюринг и другие показали, что математика неполна, возможно, компьютерам будущего придется разбираться с фундаментальной неопределенностью, которую вводит физика.

Так что математики должны сосредоточиться на другом вопросе: можно ли построить квантовую машину Тьюринга.

Глава 3
Рождение кванта

Макс Планк – создатель квантовой теории – был очень противоречивым человеком. С одной стороны, он был крайне консервативен, возможно потому, что его отец был профессором юриспруденции в Кильском университете, а вся семья давно соблюдала самую главную традицию – честно служить обществу. Дед и прадед Макса были профессорами теологии, а один из его дядьев – судьей.

В своей работе он был предельно внимателен, в общении и манерах всегда безупречен – в общем, принадлежал к лучшим представителям своего класса. Судя по внешнему виду, этот человек с мягкими манерами был бы последним, кого бы вы заподозрили в том, что он станет одним из величайших революционеров всех времен и разобьет все заботливо сформированные представления прошлых столетий, открыв квантовые шлюзы. Но именно он это и сделал.

В 1900 г. ведущие физики были твердо убеждены, что окружающий нас мир можно полностью объяснить через работы Исаака Ньютона, законы которого описывали движение во Вселенной, и Джеймса Клерка Максвелла, открывшего законы света и электромагнетизма. Всё, начиная от движения гигантских планет в космосе и заканчивая пушечными ядрами и молниями, Ньютон и Максвелл могли объяснить. Говорили даже, что Патентное бюро США может закрыться, поскольку всё, что могли изобрести, уже изобрели.

Согласно Ньютону, Вселенная представляла собой часы. Эти часы тикали потихоньку, подчиняясь в точности его трем законам движения, и всё во Вселенной было предопределено. Такая позиция называлась ньютоновским детерминизмом и правила бал на протяжении нескольких столетий. (Иногда это называют классической физикой, чтобы отличать ее от физики квантовой.)

Но существовала одна неизменная проблема. Оставалось несколько оборванных концов, потянув за которые можно было со временем разрушить всю хитроумную ньютоновскую архитектуру.

Древние ремесленники знали, что, если глину нагреть в горне до достаточно высокой температуры, она в конечном итоге начнет ярко светиться. Она нагреется сначала до красного каления, потом до желтого и наконец до голубовато-белого. Мы видим это всякий раз, когда зажигаем спичку. На верхушке, где температура минимальна, пламя красное. В центре оно желтое. А нижняя часть пламени при подходящих условиях оказывается голубовато-белой.

Физики попытались вывести это хорошо известное свойство горячих объектов, но потерпели фиаско. Они знали, что теплота – это не что иное, как движение атомов. Чем выше температура объекта, тем быстрее двигаются атомы. Физики знали также, что атомы обладают электрическими зарядами. Если двигать заряженный атом достаточно быстро, он будет излучать электромагнитные волны (такие как радио или свет), согласно законам Джеймса Клерка Максвелла. Цвет горячего объекта указывает на частоту этого излучения.

Таким образом, пользуясь теорией Ньютона применительно к атому и теорией света Максвелла, можно рассчитать свет, излучаемый горячим объектом. И пока все идет хорошо.

Но при проведении реального расчета происходит катастрофа. Выясняется, что испускаемая энергия при высоких частотах может стать бесконечной, что невозможно. Это называется катастрофой Рэлея – Джинса. Она наглядно показала физикам, что в классической ньютоновской механике зияет дыра.

Однажды Планк попытался вывести для своих студентов-физиков катастрофу Рэлея – Джинса, но при помощи необычного нового метода. Ему надоело демонстрировать это одинаково, все тем же старым добрым способом, поэтому из чисто педагогических соображений он сделал экстравагантное допущение. Он предположил, что энергия, испускаемая атомом, может выдаваться лишь крохотными дискретными порциями, которые называются квантами. Это была ересь, конечно, ведь уравнения Ньютона утверждали, что энергия должна быть непрерывна, а не складываться из порций. Но Планк, постулировав, что энергия излучается порциями определенного объема, получил в точности правильную кривую, связывающую температуру и энергию света.

Это было открытие на века.

Это стало первым шагом в длительном процессе, который привел нас в конце концов к созданию квантового компьютера.

Революционное откровение Планка означало, что ньютоновская механика неполна и должна появиться новая физика. Всё, что, как нам на тот момент казалось, мы знали о Вселенной, требовалось полностью переписать.

Но, будучи настоящим консерватором, Планк выдвинул свою идею осторожно: он дипломатично заявил, что если применить в качестве упражнения фокус с порциями энергии, то удастся в точности воспроизвести реальную, то есть полученную в ходе натурного эксперимента, кривую энергии.

Для проведения расчета ему пришлось ввести число, представляющее размер кванта энергии. Планк обозначил его h (теперь это число известно как постоянная Планка и равно 6,62… × 10^–34 Дж∙с). Это невероятно малое число. Мы в нашем мире никогда не видим квантовых эффектов, потому что h так мала. Но если бы можно было каким-то образом менять h, это позволило бы непрерывно переходить из квантового мира в наш повседневный мир. Почти как при вращении ручки плавной настройки радиоприемника, можно было бы свернуть эту постоянную в самый низ, так чтобы h = 0, и тогда мы получили бы нормальный ньютоновский мир, полностью соответствующий здравому смыслу и лишенный каких бы то ни было квантовых эффектов. Но стоит повернуть ручку в другую сторону – и мы получаем безумный субатомный мир кванта, мир, напоминающий, как вскоре обнаружат физики, «сумеречную зону».

То же применимо и к компьютеру. Если бы мы снизили h до нуля, мы пришли бы к классической машине Тьюринга. Но если повысить h, начинают проявляться квантовые эффекты и машина Тьюринга постепенно превращается в квантовый компьютер.

Теория Планка, несомненно, соответствовала экспериментальным данным и к тому же открыла для нас совершенно новую область физики. Но самого его много лет преследовали упрямые твердолобые приверженцы классической ньютоновской идеи. Описывая волну противодействия, Планк писал: «Новая научная истина утверждает себя не тем, что убеждает своих оппонентов и заставляет их увидеть свет, а тем, что оппоненты в конце концов вымирают и вырастает новое поколение, уже с ней знакомое»{16}16
  Peter Coy, «Science Advances One Funeral at a Time, the Latest Nobel Proves It,» Bloomberg, October 10, 2017; www.bloomberg.com/news/articles/2017–10–10/science-advances-one-funeral-at-a-time-the-latest-nobel-proves-it.


[Закрыть].

Но, каким бы яростным ни было сопротивление, в пользу квантовой теории накапливалось все больше свидетельств. Она, бесспорно, была верна.

К примеру, свет, падая на металлическую поверхность, может выбивать из нее электроны, которые создают слабый электрический ток; это явление известно как фотоэлектрический эффект. Именно он позволяет солнечной панели поглощать свет и преобразовывать его в электричество. (Он также широко используется во многих устройствах, таких как калькуляторы на солнечной энергии, в которых обычные батарейки заменяются на небольшие солнечные элементы, и современные цифровые камеры, преобразующие свет от объекта в электрические сигналы.)

Человек, которому удалось в конце концов объяснить этот эффект, был никому не известным физиком без гроша за душой, зарабатывавшим на жизнь в каком-то патентном бюро в швейцарском Берне. Будучи студентом, он пропускал так много занятий, что профессора в рекомендательных письмах охарактеризовали его весьма нелестно – в результате после выпуска его не брали ни на одну преподавательскую должность. Он часто оставался без работы, перебиваясь случайными заработками в роли домашнего учителя или коммивояжера. Он даже посетовал в письме родителям, что, возможно, ему лучше было бы вообще не рождаться. В итоге он устроился мелким клерком в патентное бюро. Люди назвали бы его неудачником.

Человеком, объяснившим фотоэлектрический эффект, был Альберт Эйнштейн, и сделал он это при помощи теории Планка. Вслед за Планком Эйнштейн заявил, что энергия света может существовать в виде дискретных порций, или квантов, энергии (позже их назвали фотонами), способных выбивать электроны из металла.

Таким образом, начал вырисовываться новый физический принцип. Эйнштейн ввел понятие «дуализм», то есть заявил, что энергия света имеет двойственную природу. Свет может вести себя как частица – фотон – или как волна (что происходит в оптике). Свет каким-то образом имеет две возможные формы.

В 1924 г. молодой аспирант Луи де Бройль, воспользовавшись идеями Планка и Эйнштейна, совершил следующий большой скачок. Если свет может существовать одновременно как частица и как волна, то почему вещество не может? Возможно, электроны тоже обладают двойственной природой.

Это было еретическое заявление, ведь считалось, что вещество состоит из частиц, именуемых атомами, – эту идею высказал еще Демокрит 2000 лет назад. Но в конечном итоге один хитроумный эксперимент опроверг это представление.

Когда вы бросаете камни в пруд, на месте их падения образуются круговые волны, которые расширяются, а затем сталкиваются между собой, создавая на поверхности пруда рисунок взаимодействия (интерференции), напоминающий паутину. Это объясняет свойства волн, но вещество считалось состоящим из точечных частиц, которые не должны давать волноподобной интерференционной картины.

Но возьмем для начала два параллельных листа бумаги. В первом листе прорежем две узкие щели и направим на них луч света. Поскольку свет обладает волноподобными свойствами, на втором листе появится четкий рисунок из темных и светлых полос. Поскольку свет проходит сквозь обе щели и на втором листе волны взаимодействуют, усиливая и ослабляя друг друга, получаем характерный рисунок полос, называемый интерференционной картиной. Это явление было хорошо известно.

Но теперь изменим этот эксперимент, заменив световой луч пучком электронов. Если пропустить пучок электронов сквозь две щели в первом листе бумаги, то следовало бы ожидать, что на втором листе в соответствующих местах появятся две четкие яркие полоски. Поскольку электрон считался точечной частицей, он должен был пройти либо сквозь первую щель, либо сквозь вторую, но не сквозь обе сразу.

Рис. 3. Эксперимент с двойной щелью

Если пучок электронов падает на экран с двумя щелями, то вместо изображения с двумя четкими полосками он образует на втором экране сложную волноподобную интерференционную картину. Это верно и в том случае, если на экран направляется только один электрон. Получается, что единственный электрон в определенном смысле прошел сквозь обе щели сразу. Даже сегодня физики продолжают спорить, как электрон может находиться в двух местах одновременно.

Mapping Specialists Ltd.

Воспроизведя известный эксперимент с электронами, исследователи, вопреки ожиданиям, обнаружили волнообразный рисунок, аналогичный интерференционной картине, получаемой от светового луча. Электроны вели себя так, будто были волнами, а не только точечными частицами. Атомы долгое время считались неделимой единицей вещества. Теперь же они расплывались волнами, подобно свету. Эти эксперименты продемонстрировали, что атом может вести себя и как волна, и как частица.

Однажды австрийский физик Эрвин Шрёдингер обсуждал с кем-то из коллег идею материи как волны. Но если материя может вести себя как волна, спросил его приятель, то какому уравнению она должна подчиняться?

Шрёдингера заинтриговал этот вопрос. Физики были довольно хорошо знакомы с волнами, поскольку с их помощью удобно было изучать оптические свойства света; кроме того, обобщенные свойства волн часто исследовались на примере океанских волн или звуковых волн в музыке. Так что Шрёдингер решил найти волновое уравнение для электрона. Этому уравнению суждено было полностью перевернуть наши представления о Вселенной. В каком-то смысле вся Вселенная со всеми ее химическими элементами, включая вас и меня, суть решения волнового уравнения Шрёдингера.