Мир не может быть настолько странным: как развивалась квантовая теория
January 17, 2018
Квантовая теория применяется в самых разных сферах — от мобильных телефонов до физики элементарных частиц, но во многом до сих пор остается загадкой для ученых. Ее появление стало революцией в науке, даже Альберт Эйнштейн сомневался в ней и спорил с Нильсом Бором практически всю жизнь. В издательстве Corpus выходит книга итальянского физика Карло Ровелли «Семь этюдов по физике», которую перевели более чем на 40 языков и в которой он рассказывает, как в XX веке открытия в физике изменили наши знания о Вселенной. «Теории и практики» публикуют отрывок.
Обычно говорят, что квантовая механика родилась точно в 1900 году, фактически ознаменовав наступление века напряженной мысли. Немецкий физик Макс Планк вычислил электрическое поле в горячем ящике в состоянии теплового равновесия. Для этого он прибегнул к трюку: представил, будто энергия поля распределена по «квантам», то есть сосредоточена в пакетах, порциях. Это ухищрение привело к результату, который прекрасно воспроизвел измерения (а значит, обязательно в какой-то степени был правильным), но расходился со всем, что тогда было известно. Считалось, что энергия изменяется непрерывно, и не было причин обращаться с ней так, словно она сложена из небольших кирпичиков. Вообразить энергию составленной из ограниченных пакетов было для Планка своеобразной вычислительной уловкой, и он сам не понял до конца причину ее эффективности. И снова Эйнштейн пять лет спустя осознал, что «пакеты энергии» реальны.
Эйнштейн показал, что свет состоит из порций — частиц света. Сегодня мы называем их фотонами. […]
К работе Эйнштейна коллеги поначалу отнеслись как к неуклюжей пробе пера исключительно одаренного юноши. Именно за эту работу он впоследствии получил Нобелевскую премию. Если Планк — отец теории, то Эйнштейн — родитель, воспитавший ее.
Однако, как любое дитя, теория затем пошла своим собственным путем, не распознанным самим Эйнштейном. Только датчанин Нильс Бор во втором и третьем десятилетиях XX века положил начало ее развитию. Именно Бор понял, что энергия электронов в атомах может принимать лишь определенные значения, как энергия света, и, самое главное, что электроны способны только «перескакивать» между одной атомной орбитой и другой с фиксированными энергиями, испуская или поглощая фотон при скачке. Это знаменитые «квантовые скачки». И именно в институте Бора в Копенгагене самые блестящие молодые умы века собрались вместе, чтобы изучить эти загадочные особенности поведения в мире атомов, попытаться привнести в них порядок и построить непротиворечивую теорию. В 1925 году уравнения теории наконец появились, заменив собой всю механику Ньютона. […]
Первым, кто написал уравнения новой теории, основываяcь на невообразимых идеях, был молодой немецкий гений — Вернер Гейзенберг.
«Уравнения квантовой механики остаются загадочными. Поскольку описывают не то, что происходит с физической системой, а только как физическая система влияет на другую физическую систему»
Гейзенберг предположил, что электроны существуют не всегда. А только тогда, когда кто-то или что-то наблюдает за ними — или, лучше сказать, когда они взаимодействуют с чем-то еще. Они материализуются на месте, с вычислимой вероятностью, когда с чем-либо сталкиваются. Квантовые скачки с одной орбиты на другую — единственный способ быть «реальными» в их распоряжении: электрон есть набор скачков от одного взаимодействия до другого. Когда ничто его не тревожит, он не находится ни в каком конкретном месте. Он вообще не в «месте».
Словно Бог не изобразил реальность четко прочерченной линией, а лишь наметил ее еле видным пунктиром.
В квантовой механике ни один объект не имеет определенного положения, за исключением случаев, когда он сталкивается лоб в лоб с чем-то еще. Чтобы описать его посередине между одним взаимодействием и другим, мы используем отвлеченную математическую формулу, которая не существует в реальном пространстве, только в абстрактном математическом. Но есть кое-что и похуже: эти основанные на взаимодействии скачки, которыми каждый объект перемещается из одного места в другое, происходят не предсказуемым образом, а по большому счету случайным. Невозможно предсказать, где электрон появится вновь, можно лишь вычислить вероятность, с которой он возникнет здесь или там. Вопрос вероятности ведет в самое сердце физики, где все, как прежде казалось, регулируется строгими законами, универсальными и неотвратимыми.
Считаете это нелепостью? Так думал и Эйнштейн. С одной стороны, он выдвинул кандидатуру Гейзенберга на соискание Нобелевской премии, признавая, что тот понял о мире нечто принципиально важное, тогда как с другой — не упускал ни единого случая, чтобы поворчать о том, что в утверждениях Гейзенберга не слишком-то много смысла.
Молодые львы копенгагенской группы были растеряны: как это возможно, чтобы Эйнштейн так думал? Их духовный отец, человек, который первым явил отвагу мыслить непомыслимое, теперь отступил и боялся этого нового прыжка в неизвестное, прыжка, им же самим и вызванного. Тот же Эйнштейн, показавший, что время не универсально и пространство искривлено, теперь говорил, что мир не может быть настолько странным.
ор терпеливо объяснял новые идеи Эйнштейну. Эйнштейн выдвигал возражения. Он придумывал мысленные эксперименты, чтобы показать противоречивость новых идей. «Представьте себе ящик, наполненный светом, из которого вылетает один фотон…» — так начинается один из его знаменитых примеров, мысленный эксперимент над ящиком со светом. В конце концов Бор всегда умудрялся найти ответ, который опровергал возражения Эйнштейна. Их диалог продолжался годами — в виде лекций, писем, статей… […] В конце концов Эйнштейн признал, что эта теория — гигантский шаг вперед в нашем понимании мира, но остался убежден, что все не может быть настолько странным, как предполагается ею, — что «за» этой теорией должно быть следующее, более разумное объяснение.
Век спустя мы все на том же месте. Уравнения квантовой механики и их следствия применяются ежедневно в самых разных областях — физиками, инженерами, химиками и биологами. Они играют чрезвычайно важную роль во всех современных технологиях. Без квантовой механики не было бы никаких транзисторов. И все же эти уравнения остаются загадочными. Поскольку описывают не то, что происходит с физической системой, а только как физическая система влияет на другую физическую систему. […]
Когда Эйнштейн умер, его главный соперник Бор нашел для него слова трогательного восхищения. Когда через несколько лет умер и Бор, кто-то сделал фотографию доски в его кабинете. На ней рисунок. Ящик со светом из мысленного эксперимента Эйнштейна. До самого конца — стремление спорить с самим собой, чтобы понять больше. И до последнего — сомнение.
