Уильям Арнтц - Кроличья нора, или Что мы знаем о себе и Вселенной

Классическая ньютоновская физика строилась на основании наблюдений за плотными материальными объектами – от падающих яблок до планет. Ее законы за несколько столетий были неоднократно проверены, доказаны и расширены. Они понятны и хорошо предсказывают поведение физических тел. Но в конце XIX столетия, когда физики углубились в изучение микромира, они обнаружили нечто весьма озадачивающее: ньютоновская физика на этом уровне реальности не работала! Ни предсказать, ни объяснить сей феномен они не могли.

За последующее столетие возникла совершенно новая наука, известная как квантовая механика, квантовая физика или просто квантовая теория. Она не заменяет ньютоновскую физику, которая прекрасно описывает поведение крупных тел, т. е. объектов макромира. Она была создана, чтобы объяснить субатомный мир: в нем теория Ньютона беспомощна.

Термин «квант» был впервые применен в науке немецким физиком Максом Планком в 1900 году. Это латинское слово означает просто-напросто «количество», но он использовал его, чтобы обозначить наименьшее количество энергии или материи.

«Вселенная – очень странная штука, – говорит один из основателей нанобиологии доктор Стюарт Хамерофф. – Похоже, есть два набора законов, управляющих ею. В нашем повседневном, классическом мире все описывается ньютоновскими законами движения, открытыми сотни и сотни лет назад… Однако при переходе в микромир, на уровень атомов, начинает действовать совершенно иной свод «правил». Это – квантовые законы».

Одно из самых глубоких философских различий между классической и квантовой механикой заключается в следующем: классическая механика построена на идее о возможности пассивного наблюдения за объектами… квантовая механика насчет этой возможности никогда не заблуждалась.

Положения квантовой теории настолько ошеломительны, что она больше похожа на научную фантастику.

Частица микромира может находиться в двух и более местах одновременно! (Один из совсем недавних экспериментов показал, что одна из таких частиц может находиться одновременно в 3000 мест!) Один и тот же «объект» может быть и локализованной частицей, и энергетической волной, распространяющейся в пространстве.

Эйнштейн выдвинул постулат: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но квантовая физика доказала: субатомные частицы могут обмениваться информацией мгновенно – находясь друг от друга на любом удалении.

Классическая физика была детерминированной : исходя из начальных условий, вроде местоположения и скорости объекта, мы можем рассчитать, куда он будет двигаться. Квантовая физика – вероятностна : мы никогда не можем с абсолютной уверенностью сказать, как поведет себя исследуемый объект.

Классическая физика была механистичной . Она основана на предпосылке: только зная отдельные части объекта, мы в конечном счете можем понять, что он из себя представляет. Квантовая физика целостна : она рисует картину Вселенной как единого целого, части которого взаимосвязаны и влияют друг на друга.

И, наверно, наиболее важно то, что квантовая физика уничтожила представление о принципиальном различии между субъектом и объектом, наблюдателем и наблюдаемым – а ведь оно властвовало над учеными умами в течение 400 лет!

В квантовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Нет никаких изолированных наблюдателей механической Вселенной – все принимает участие в ее существовании. (Это положение настолько важно, что мы посвятим ему отдельную главу.)

Давайте начнем с того, что известно большинству. Одну из первых трещин в прочной конструкции ньютоновской физики сделало следующее открытие: атомы – эти твердые стандартные блоки физической Вселенной! – состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если увеличить ядро атома водорода до размера баскетбольного мяча, то единственный вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии в тридцать километров, а между ядром и электроном – ничего . Так что, глядя вокруг, помните: реальность – это мельчайшие точечки материи, окруженные пустотой.

Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» на самом деле не пуста: она содержит колоссальное количество невероятно мощной энергии. Мы знаем, что энергия становится все плотнее по мере перехода на более низкий уровень материи (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Сейчас ученые говорят, что в одном кубическом сантиметре пустого пространства больше энергии, чем во всей материи известной Вселенной. Хотя ученые не смогли измерить ее, они видят результаты действия этого моря энергии [4] Заинтересовались? Полюбопытствуйте, что такое «сила Ван-дер-Ваальса» и «эффект Казимира». .

Мало того, что атом почти сплошь состоит из «пространства» – когда ученые более глубоко исследовали его, обнаружили, что субатомные (составляющие атом) частицы также не сплошные. И, похоже, они имеют двойственную природу. В зависимости от того, как мы их наблюдаем, они могут вести себя или как твердые микротела, или как волны.

Частицы – это отдельные твердые объекты, занимающие определенное положение в пространстве. А волны не имеют «тела», они не локализованы и распространяются в пространстве (вспомните волны на море).

В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного местоположения, но существует как «поле вероятностей». В состоянии частицы поле вероятностей «схлопывается» (коллапсирует) в твердый объект. Его координаты в четырехмерном пространстве-времени уже можно определить.

У меня квантовая теория вызывает неуверенность и головокружение. Она описывает микромир так, что он представляется чем-то сверхъестественным, волшебным. Так я смотрел на окружающее в детстве. И что теперь можно сказать обо мне – том мальчишке, мечтателе и фантазере? Я что, бредил? Возможно. Но вот вопрос: где проходит грань между квантовым микромиром и «нашим» миром макрообъектов? Если я состою из субатомных частиц, которые способны творить волшебство… Может быть, я тоже способен на нечто подобное?

Это удивительно, но состояние частицы (волна или твердый объект) задается актами наблюдения и измерения. Не измеряемые и не наблюдаемые электроны ведут себя подобно волнам. Как только мы подвергаем их наблюдению в процессе эксперимента, они «схлопываются» в твердые частицы и могут быть зафиксированы в пространстве.