Когато започнал да решава своето уравнение за водородния атом, Шрьодингер открил за своя най-голяма изненада точните енергийни равнища на водорода, които били каталогизирани грижливо от физиците преди него. После осъзнал, че старата схема на атома, направена от Нилс Бор, на която електроните се движат с голяма скорост около ядрото (схема, която се използва и до днес в книгите и рекламите за символично представяне на модерната наука), в действителност е погрешна. Тези орбити би трябвало да бъдат заменени от вълни, които обграждат ядрото.
Трудът на Шрьодингер разпръснал шокови вълни из цялата физична общност. Изведнъж физиците успели да надзърнат в самия атом, да проучат подробно вълните, които съставят неговите електронни слоеве и да извлекат точни положения за тези енергийни равнища, които съответстват на данните.
Но учените продължавали да се измъчват от един въпрос, който и днес преследва физиката. Ако електронът се описва чрез вълна, то тогава какво представлява вълнението? На този въпрос отговорил физикът Макс Борн, според когото тези вълни представляват в действителност вероятностни вълни. Вълните разкриват само възможността един отделен електрон да бъде открит на някое място по някое време. С други думи, електронът е частица, но вероятността да бъде открита тази частица ни се предоставя от вълната на Шрьодингер. Колкото по-голяма е вълната, толкова по-голяма е възможността да бъде открита частицата в определена точка.
С тези разработки случайността и вероятността били въведени в самата същност на физиката, която преди това давала точни предположения и подробни траектории на частиците, като се започне от планетите и се стигне до кометите и оръдейните гюлета.
Тази неопределеност накрая била систематизирана от Хайзенберг, когато предложил принципа на неопределеността, т.е. представата, че не можете да знаете и точната скорост, и точното местоположение на един електрон по едно и също време.12 Нито пък можете да знаете каква точно е енергията му, когато бъде измервана в течение на даден период от време. На квантово равнище всичките основни закони на здравия разум биват нарушени: електроните могат да изчезват и да се появяват другаде, както и да се намират на много места по едно и също време.
(По ирония на съдбата Айнщайн — кръстникът на квантовата теория, който спомогнал за стартирането на революцията през 1905 г., и Шрьодингер, който съставил вълновото уравнение, били ужасени от въвеждането на случайността във фундаменталната физика. Айнщайн писал: „Квантовата механика заслужава голямо уважение. Но някакъв вътрешен глас ми нашепва, че тя не е правилното решение. Теорията предлага много, но тя едва ли ще ни приближи до тайната на Стареца (Бога). Що се отнася до мен, убеден съм, че Той не си играе на зарове.“13)
Теорията на Хайзенберг била революционна и противоречива — но давала резултати. С един замах физиците можели да обяснят огромен брой озадачаващи явления, които включвали законите на химията. За да покажа на моите студенти колко странна е квантовата теория, понякога ги моля да изчислят вероятността техните атоми изведнъж да се разпаднат и след това да се появят от другата страна на една тухлена стена. Подобна телепортация е невъзможна според Нютоновата физика, но се допуска от квантовата механика. Отговорът обаче гласи, че за да се случи това, човек трябва да чака по-дълго време, отколкото е необходимо за съществуването на една вселена. (Ако сте използвали компютър, за да начертаете графиката на вълната на Шрьодингер върху вашето тяло, ще откриете, че тя прилича много на всички негови характеристики, като изключим това, че изглежда малко неясна, тъй като някои от вашите вълни се излъчват във всички посоки. Някои от тях ще стигат чак до далечни звезди. Затова има вероятност, макар и малка, един ден да се събудите на някоя друга планета.)
Фактът, че електроните могат привидно да се намират на много места по едно и също време, лежи в самата основа на химията. Знаем, че електроните се въртят около ядрото на един атом, подобно на миниатюрна слънчева система. Но атомите и слънчевите системи са различни. Ако две слънчеви системи се сблъскат в открития космос, те се разпръсват и планетите се разлетяват надалеч. Но ако се сблъскат атоми, те често образуват молекули, които са стабилни, като си поделят електроните помежду си. В гимназиалните часове по химия учителите често илюстрират това с един „лепнат електрон“, който прилича на футболна топка и свързва в едно цяло двата атома.
12
Или по-точно, според принципа на неопределеността на Хайзенберг неопределеността на местоположението на една частица, умножена по неопределеността на нейния механичен момент, трябва да бъде по-голяма или равна на константата на Планк, разделена на 2p. С други думи, произведението на неопределеността на енергията на една частица по неопределеността на нейното време трябва да бъде по-голямо или равно на константата на Планк, разделена на 2p. Ако позволим на константата на Планк да спадне до нула, тя бива сведена до обикновената Нютонова теория, в която всички неопределености са нулеви. Фактът, че не можете да знаете местоположението, механичния момент, енергията или времето на един електрон, е подтикнал Тригви Емилсон да отбележи остроумно: „Историците са стигнали до заключението, че Хайзенберг сигурно е размишлявал върху любовния си живот, когато е открил принципа на неопределеността: Когато е имал времето, той не е разполагал с енергията, а когато моментът е бил подходящ, той не е можел да установи местоположението.“ Barrow.