Кокс и Форшоу начинают с вопроса, почему физики доверяют квантовой механике, хотя её описания часто противоречат интуиции. Ответ — в проверяемых предсказаниях: расчёты поведения электрона в магнитном поле с поразительной точностью совпадают с экспериментами. Теория непривычна, но не туманна: она опирается на математические правила и объясняет широкий круг явлений — от атомов до звёзд. Истоки квантовой физики авторы прослеживают через открытия, которые классическая физика не могла объяснить.
Радиоактивный распад оказался непредсказуемым для отдельного атома, опыты Резерфорда обнаружили компактное ядро, а спектр водорода состоял из отдельных цветных линий. Модель Бора связала эти линии с переходами электронов между разрешёнными орбитами, но оставила без ответа, почему разрешены именно такие состояния. Ключевой пример для новой теории — опыт с двумя щелями. Если направлять на них электроны, на экране возникают не две полосы, как ожидалось бы от обычных частиц, а интерференционный рисунок.
Он складывается постепенно, даже когда электроны посылают по одному. Это исключает объяснение через взаимодействие электронов друг с другом. По Коксу и Форшоу, квантовую частицу следует описывать волновой функцией: её величина позволяет вычислить вероятность обнаружения электрона в разных местах. Квадрат этой величины даёт вероятность, а интерференция объясняет, как отдельные попадания образуют общую картину.
Дальше авторы показывают, как вероятностное описание связано с движением и принципом неопределённости. Частицу нельзя одновременно локализовать в точке и приписать ей точно известный импульс. Чем точнее задано её положение, тем шире возможный диапазон импульсов. Это не просто недостаток измерительных приборов: квантовая теория предсказывает вероятности как фундаментальное свойство микромира, хотя изменение этих вероятностей со временем подчиняется точным законам.
Модель волны помогает объяснить устойчивость атомов. Электрон, удерживаемый притяжением ядра, может находиться лишь в определённых энергетических состояниях. Когда он переходит между ними, атом испускает или поглощает фотон с энергией, соответствующей разнице уровней. Так возникают характерные спектральные линии элементов.
А принцип Паули не позволяет электронам занимать одинаковые состояния: он помогает объяснить устройство периодической таблицы, разнообразие химических связей и то, почему твёрдые тела сохраняют устойчивость. Когда атомы сближаются, их электронные состояния объединяются. В молекуле водорода электронные волновые функции распространяются между двумя ядрами, и связанное состояние может иметь меньшую энергию, чем два раздельных атома. В большом числе атомов разрешённые энергетические уровни образуют полосы.
Их заполнение помогает понять, почему одни материалы проводят электрический ток, другие изолируют его, а полупроводники способны управлять потоком зарядов. На этом основано объяснение транзистора: примеси создают в кремнии подвижные электроны или дырки, а соединение областей разных типов позволяет регулировать ток напряжением. Транзисторы работают как управляемые переключатели; объединённые в логические схемы, они стали основой микропроцессоров. В финале изложение обращается к звёздам: квантовые эффекты и принцип Паули помогают объяснить, как белые карлики сопротивляются дальнейшему сжатию под действием гравитации.
