То, что мы называем материей, на поверку оказывается вибрациями в квантовых полях. Электроны не вращаются вокруг ядер, вакуум кипит, а два предмета могут быть связаны на любом расстоянии быстрее света.
Как к этому относиться и почему физики до сих пор признаются, что ничего не понимают, — в большом разговоре о настоящей реальности. Спойлер: она гораздо интереснее, чем кажется.
«Вы никогда не сидели на стуле». Как квантовая физика отменяет реальность
Знаете это чувство, когда смотришь на обычный стул, видишь его ножки, сиденье, спинку — и вдруг ловишь себя на мысли: «А существует ли он на самом деле?» Обычно такие вопросы задают либо философы после третьей чашки кофе, либо физики после того, как слишком глубоко заглянули в уравнения.
И если философы могут позволить себе роскошь неопределённости, то физики вынуждены давать точные предсказания. И тут начинается самое интересное: оказывается, для того чтобы предсказывать с точностью до двенадцатого знака, природа должна вести себя так, что наш мозг отказывается это принимать.
Приготовьтесь. Мы будем говорить о том, почему электроны не вращаются вокруг ядра, почему все электроны во Вселенной — это один и тот же электрон (почти), почему пустота на самом деле кипит и почему ваш стул — это не то, чем он кажется. И да, мы ни разу не соврём. Только физика, только строгость — но в разговорном пересказе.
Почему художники рисуют атомы неправильно (и почему они не виноваты)
Вы наверняка видели такие картинки: в центре — плотное ядро, вокруг него по аккуратным круговым орбитам летают маленькие шарики — электроны. Как миниатюрная Солнечная система. Красиво, понятно, успокаивающе. И совершенно неверно.
Проблема в том, что электроны не вращаются. Вообще. У них нет траектории в привычном смысле этого слова. Если бы вы попытались проследить путь электрона вокруг ядра, то потерпели бы неудачу — потому что до измерения у электрона нет положения.
Он как бы везде и нигде одновременно. Планетарная модель атома — это педагогическая ложь, полезная, но опасная. Нильс Бор, который эту модель придумал, знал о её условности лучше других. Но что делать, если правду невозможно нарисовать?
Идём дальше. Вот вам факт, который сломает остатки наивного реализма: все электроны во Вселенной абсолютно идентичны. Не просто похожи, а принципиально неразличимы. Вы не можете пометить один электрон красной краской, а другой — синей.
Если два электрона поменять местами, Вселенная не заметит разницы — потому что разницы нет. Физик Шон Кэрролл формулирует это жёстко: не существует способа сказать, «который из них был который» [2]. Это намекает на то, что электрон — это не «объект» в нашем понимании. Это что-то другое.
Ноты в пустоте: мир как симфония
Давайте попробуем другую метафору. Представьте, что всё пространство — от вашей комнаты до далёких галактик — пропитано невидимыми средами. Физики называют их квантовыми полями.
Есть электронное поле, есть фотонное поле (оно отвечает за свет), есть поле кварков, есть поле Хиггса. Они существуют везде, всегда, без всякого источника. Это не магнитное поле, которое создаётся магнитом; это поле, которое само создаёт то, что мы называем материей.
То, что мы привыкли называть «частицей» — например, электроном — на самом деле является маленькой локальной вибрацией, волной в этом поле. Как нота «до» на скрипке: самой ноты не существует, есть колебание струны, которое создаёт в воздухе звуковую волну. Вы добавляете энергию в поле — и рождается частица. Убираете энергию — частица исчезает, а поле остаётся.
«По сути, мы — симфония музыкальных нот в квантовых полях». Это не поэтическая вольность, а довольно точное описание того, во что верит современная физика. Вы, ваш стул, ваша кошка, звезда на небе — всё это разные колебания в одних и тех же полях.
И вот тут начинается самое завораживающее. Эти поля никогда не затихают полностью. Даже когда в них нет ни одной «реальной» частицы, они продолжают слабо вибрировать — физики называют это нулевыми колебаниями.
Из-за этих колебаний, например, возникает сила Казимира: две металлические пластинки в вакууме притягиваются друг к другу просто потому, что между ними помещается меньше виртуальных частиц, чем снаружи [3]. Вакуум — не пустота. Вакуум — это кипящий бульон возможностей.
Открытие, которое всё изменило: поле Хиггса
Долгое время многие физики относились к квантовым полям как к удобной математической фикции. Ну, поля и поля, забавный способ считать. Но в 2012 году на Большом адронном коллайдере произошло событие, которое заставило даже закоренелых скептиков замолчать.
Была обнаружена новая частица — бозон Хиггса. А это, в свою очередь, означало, что существует и поле Хиггса — то самое, которое, как оказалось, пронизывает всё пространство и придаёт массу другим частицам [4].
С этого момента стало практически невозможно отрицать: поля реальны. Они не просто математический трюк. Они есть. И они фундаментальнее, чем частицы, которые мы наблюдаем.
Но тут внимательный читатель спросит: а как же пространство и время? Поля существуют в пространстве-времени? Или пространство-время само возникает из полей? Вот это — вопрос на миллион долларов (буквально: за теорию квантовой гравитации вручают премии).
И честный ответ: мы пока не знаем. Попытки создать квантовую теорию гравитации (теорию струн, петлевую квантовую гравитацию) предполагают, что пространство-время может быть производным — то есть возникать из более фундаментальных квантовых сущностей [10].
Но эти теории пока не подтверждены экспериментально. Так что мы живём в режиме «да, поля есть, и пространство-время есть, а как они связаны — один Бог ведает».
Волшебный вектор: что такое волновая функция
Итак, поле есть. Частица — это возбуждение поля. Как же описать это возбуждение? Тут физики достают самый странный инструмент — волновую функцию. Если вы слышали это словосочетание в научно-популярных фильмах и ничего не поняли — вы не одиноки. Ричард Фейнман, великий физик и блестящий лектор, однажды сказал: «Думаю, могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовой механики» [1]. И он не скромничал.
Попробуем всё же приблизиться. Волновая функция — это не волна в обычном пространстве. Она живёт в странном математическом сооружении, которое называется гильбертовым пространством. Представьте себе обычную плоскость с осями X и Y.
Любая точка на плоскости — это сочетание X и Y. В квантовой механике вместо осей X и Y у вас — возможные результаты измерений. Например, «электрон находится в точке А» — это одна ось, «в точке Б» — другая, «в точке В» — третья. Волновая функция — это вектор, который указывает в какую-то сторону в этом многомерном пространстве.
Допустим, вектор задан как 3 части по оси А и 4 части по оси Б. Что это значит? Это значит, что до измерения электрон находится в суперпозиции: он и в А, и в Б одновременно. Причём не «мы не знаем, где он», а именно «он не имеет определённого положения». Как кошка Шрёдингера: живая и мёртвая одновременно, пока вы не откроете ящик.
А потом вы проводите измерение. И — бац! — суперпозиция исчезает. Вектор вдруг «поворачивается» и указывает строго на одну из осей. Физики называют это коллапсом волновой функции. Почему это происходит? Как именно? Вот тут-то и начинаются настоящие споры. Копенгагенская интерпретация (Бор, Гейзенберг) говорит: не задавайте глупых вопросов, измерение — это измерение, математика работает — и хватит [6].
Эйнштейн возмущался: «Бог не играет в кости!» — он верил, что у частиц должны быть скрытые свойства, которые мы просто не знаем [7]. Но эксперименты (особенно знаменитые работы Алена Аспе) показали: никаких скрытых свойств нет. Бог действительно играет в кости [8].
Странная связь: квантовая запутанность
Кстати, об экспериментах Аспе. Они касались самого жуткого явления во всей квантовой физике — запутанности. Представьте, что у вас есть две частицы, которые родились вместе и описываются единой волновой функцией. Их состояния оказываются связанными: если у одной спин (вращение) направлен вверх, то у другой — обязательно вниз. Причём эта связь сохраняется, даже если вы разнесёте частицы на световые годы.
Простейшая аналогия — носки. Если вы купили пару, где левый носок и правый, то, увидев один носок, вы автоматически знаете, каков второй. Это взаимосвязь.
Но квантовая взаимосвязь отличается от классической. В случае носков у каждого носка есть заранее существующее свойство: он левый или правый. В квантовой запутанности до измерения у частиц нет определённых свойств.
Они существуют в неопределённом состоянии. И только когда вы измеряете одну частицу, её волновая функция разрушается — и мгновенно, быстрее скорости света, разрушается и волновая функция второй. Вторая частица «узнаёт», какой ей быть.
Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии» и считал доказательством неполноты квантовой механики. Но экспериментаторы — сначала Джон Клаузер, потом Ален Аспе, потом Антон Цайлингер — неопровержимо показали: жуткое действие существует. За эти работы вручены Нобелевские премии [8].
Но есть в этой истории одна деталь, о которой редко говорят в популярных статьях. «Мгновенность» запутанности сталкивается с теорией относительности Эйнштейна. Согласно специальной теории относительности, понятие «одновременно» зависит от того, как быстро вы движетесь.
Для одного наблюдателя два события на расстоянии друг от друга происходят одновременно, для другого — с разницей в дни или даже годы. Это называется парадоксом Андромеды [9]. Что же тогда значит «мгновенное изменение состояния» запутанной частицы, если само понятие «мгновенно» не является абсолютным? Ответа пока нет. Мы снова упираемся в границу нашего понимания.
Что же нам делать со всем этим?
Вы, наверное, ждёте вывода в духе «и поэтому всё не так, как кажется». Да, всё не так. Но это не повод для отчаяния, а скорее повод для смирения. Наш мозг формировался в мире средних скоростей, больших масс и предсказуемых траекторий. Он эволюционно не приспособлен к квантовой реальности. И это нормально. Как наши глаза не видят ультрафиолет, так и наш здравый смысл не чувствует суперпозицию.
Физики давно с этим смирились. Они используют математику — чуждый, отвлечённый язык — чтобы предсказывать результаты экспериментов. И эта математика работает. На её основе созданы лазеры, транзисторы, ядерный магнитный резонанс (то есть МРТ), а теперь и квантовые компьютеры.
Вы пользуетесь плодами квантовой механики каждый раз, когда смотрите на экран смартфона (светодиоды) или разговариваете по сотовой связи (лазеры в оптоволокне). При этом понимать, как именно электрон проходит через два отверстия одновременно и взаимодействует сам с собой, вы не обязаны. Учёные тоже не понимают.
Фейнман, который прекрасно рассчитывал квантовые взаимодействия, как-то заметил (эту фразу приписывают многим, но суть верна): «Заткнись и считай». Квантовая механика работает, даже если она кажется вам безумной.
Вместо заключения: стул, на котором вы не сидите
Вернёмся к стулу. Вы садитесь на стул, и он не проваливается. Почему? Классический ответ: потому что атомы стула и атомы вашего тела отталкиваются друг от друга электромагнитными силами. Квантовый ответ будет сложнее: потому что электроны в атомах стула не могут занимать те же квантовые состояния, что и электроны в ваших атомах — это запрещено принципом Паули. А сам принцип Паули — следствие того самого свойства неразличимости частиц, о котором мы говорили в начале.
Иными словами, вы сидите на стуле не потому, что стул «твёрдый», а потому что поля запрещают двум электронам быть в одном состоянии. Твёрдость — это проявление, возникающее из более глубоких свойств. Как температура газа: её нет у отдельной молекулы, но она есть у миллиардов молекул вместе.
Так что да, странность никуда не девается. Электроны не вращаются, частицы возникают из пустоты, информация передаётся быстрее света (но не информация в смысле сигнала, это отдельная сложная тема), и ваш стул на 99,999999999% состоит из пустоты. Только эта пустота — не наша обычная пустота, а кипящее квантовое поле. И вы сами — тоже колебание в этом поле.
Если после этой статьи вы посмотрите на свои руки и подумаете: «А что это на самом деле?» — значит, мы не зря писали. Честный ответ физика будет: мы не знаем. Но мы знаем, как с этим работать. А иногда — этого достаточно.
Источники:
- Feynman, R. P. (1965). The Character of Physical Law. MIT Press.
- Carroll, S. (2019). Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime. Dutton.
- Milonni, P. W. (1994). The Quantum Vacuum: An Introduction to Quantum Electrodynamics. Academic Press.
- Higgs, P. W. (1964). Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons. Physical Review Letters, 13(16), 508.
- Neumann, J. von (1932). Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Springer.
- Bohr, N. (1928). The Quantum Postulate and the Recent Development of Atomic Theory. Nature, 121(3050), 580–590.
- Einstein, A., Podolsky, B., & Rosen, N. (1935). Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? Physical Review, 47(10), 777.
- Aspect, A., Grangier, P., & Roger, G. (1982). Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment. Physical Review Letters, 49(2), 91.
- Penrose, R. (1989). The Emperor’s New Mind. Oxford University Press.
- Rovelli, C. (2004). Quantum Gravity. Cambridge University Press.
P.S. О честном обмене, который реально работает
Вы только что прошли через довольно плотный текст про квантовые поля, разрушение волновой функции и запутанность. Если вы дочитали до этих строк — значит, вам это было зачем-то нужно. Возможно, вы почувствовали то редкое удовольствие, когда сложные вещи вдруг становятся чуть ближе к пониманию. Или просто поймали себя на мысли: «А мир и правда интереснее, чем кажется».
Так вот, справа от этого текста есть кнопка «Поддержать». Обычно такие кнопки вызывают смущение — ну как о деньгах просить. Но давайте честно. Канал, который регулярно выдаёт такие лонгриды, не возникает из пустоты. За ним стоит время автора, его собственный интерес, часы чтения научных статей, поиск удачных метафор и желание не соврать в формулировках. И этот интерес работает по простому правилу: чем больше вы показываете, что вам это ценно, тем больше у автора энергии копать дальше. Искать ту самую ценную информацию, которую вы не найдёте в «Википедии» за пять минут.
Это, кстати, очень похоже на то, о чём мы говорили в начале. Вселенная, какой её описывает физика, держится не на альтруизме и не на принуждении. Она держится на честных обменах. Энергия переходит в поле и рождает частицу. Ваше внимание переходит в поддержку — и рождается новый материал. Никакой магии. Только обратная связь, которая замыкает круг.
Если вам было интересно, если хотя бы одна мысль заставила вас задуматься — кнопка справа знает, что делать. А если нет — просто знайте, что вы прочитали текст, который кто-то написал для вас, и это уже немало.