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

Но как может быть что-то одновременно и твердой частицей, и текучей волной? Возможно, парадокс будет разрешен, если мы вспомним то, о чем недавно говорили: частицы ведут себя как волны или как твердые объекты. Но понятия «волна» и «частица» – это всего лишь аналогии, взятые из нашего повседневного мира. Понятие волны было введено в квантовую теорию Эрвином Шредингером. Он автор знаменитого «волнового уравнения», которое математически обосновывает существование у твердой частицы волновых свойств до акта наблюдения. Некоторые физики – в попытке объяснить то, с чем они никогда не сталкивались и не могут до конца разобраться, – называют субатомные частицы «волночастицами».

Когда Шредингер сформулировал волновое уравнение, Гейзенберг решил ту же задачу с помощью теории матриц. Но математика – штука сложная. Она далека от повседневных, обыденных представлений. К тому же ее понятия не столь образны, как, например, «волна». Поэтому волновое уравнение было принято более благосклонно, чем матричные преобразования. Хотя и то, и другое – лишь аналогии.

Изучая атом, ученые обнаружили: когда электроны, вращаясь вокруг ядра, перемещаются с орбиты на орбиту, они не движутся в пространстве, как обычные объекты. Нет, они покрывают расстояния мгновенно . То есть исчезают в одном месте и появляются в другом. Этот феномен назвали квантовым скачком .

Мало того – ученые поняли, что не могут точно определить, где именно на новой орбите появится исчезнувший электрон или в какой момент он будет совершать скачок. Самое большее, что они смогли сделать, – рассчитать вероятность (на основании волнового уравнения Шредингера) нового местоположения электрона.

Пока субатомный объект находится в состоянии волны, неизвестно, во что он превратится, когда его будут наблюдать и он локализуется в пространстве. Он находится в состоянии «множественных вероятностей» (такое состояние называют суперпозицией). Это что-то вроде подбрасывания монетки в темной комнате. С математической точки зрения, даже после того, как она упадет, нельзя определить, лежит она вверх орлом или решкой. Но как только в комнате включается свет, суперпозиция «схлопывается», и мы узнаем: монета стала «орлом» или «решкой». Измерение волны в квантовом эксперименте (подобно свету, падающему на монетку) «схлопывает» квантовую механическую суперпозицию, и образуется частица в «классическом» состоянии.

«Реальность, как мы ее ощущаем, создается в каждый момент времени из совокупности бесчисленных возможностей, – говорит доктор Сатиновер. – Но настоящая тайна – в том, что нет ничего в физической Вселенной , что бы определяло, какая именно возможность из этой совокупности осуществится. Нет процесса, который это устанавливает».

Таким образом, квантовые скачки – единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.

В классической физике все параметры объекта, включая его пространственные координаты и скорость, могут быть измерены с точностью, ограниченной только возможностями экспериментальных технологий. Но на квантовом уровне всякий раз, когда вы определяете одну количественную характеристику объекта, например скорость, вы не можете получить точных значений других его параметров, например координат. Другими словами: если вы знаете, как быстро объект движется, вы не можете знать, где он находится. И наоборот: если вы знаете, где он находится, не можете знать, с какой скоростью он движется.

Как бы ни изощрялись экспериментаторы, какие бы продвинутые технологии измерений ни использовали – заглянуть за эту завесу им не удается.

Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой физики, сформулировал принцип неопределенности. Суть его в следующем: как ни бейся, одновременно невозможно получить точные значения координат и скорости квантового объекта. Чем большей точности мы добиваемся в измерении одного параметра, тем более неопределенным становится другой.

Меня занимает не то, «почему квантовая физика настолько интересна?», а вопрос «Почему ТАК МНОГО ЛЮДЕЙ интересуется квантовой физикой?» Эта наука бросает вызов общепринятому представлению о мире; она говорит, что самые очевидные вещи, которые мы ЗНАЕМ, таковыми не являются. И все же она очаровывает миллионы людей – даже тех, кто совсем не связан с наукой.

Альберт Эйнштейн недолюбливал квантовую физику (и это еще мягко сказано!). Оценивая изложенную в квантовой физике вероятностную природу субатомных процессов, он говорил: «Бог не играет в кости с Вселенной». А вот Нильс Бор ему отвечал: «Перестаньте учить Бога, что ему делать!»

Я, должно быть, свела Марка и Уилла с ума, потому что миллион раз на дню спрашивала: «Какое это имеет отношение ко мне? Зачем мне заниматься этим идиотским квантовым миром – в моем мире и так достаточно идиотизма!» И я до сих пор не уверена, что хотя бы кое-как разобралась в квантовой механике. Фред Алан Вольф мне сказал: «Если ты считаешь, что поняла эти вещи, – значит, вообще не представляешь, о чем идет речь!» Но все-таки во всем этом квантовом безобразии я пришла к твердому убеждению: надо наслаждаться хаосом микромира и восхищаться неведомым – ибо оно дарит великие переживания, преобразующие твое сознание.

В 1935 году Эйнштейн и его коллеги Подольский и Розен (ЭПР) попытались нанести поражение квантовой теории. Ученые на основании положений квантовой механики провели мысленный эксперимент и пришли к парадоксальному выводу. (Он должен был показать ущербность квантовой теории.) Суть их размышлений такова. Если мы имеем две одновременно возникшие частицы, то это означает, что они взаимосвязаны или находятся в состоянии суперпозиции. Отправим их в разные концы Вселенной. Затем изменим состояние одной из частиц. Тогда, согласно квантовой теории, другая частица мгновенно приходит в то же состояние. Мгновенно! На другом краю мироздания!

Подобная идея была настолько смехотворна, что Эйнштейн саркастически отозвался о ней как о «сверхъестественном дальнодействии». Согласно его теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. А в ЭПР-эксперименте выходило, что скорость обмена информацией между частицами бесконечна! Кроме того, сама мысль, что электрон может «отслеживать» состояние другого электрона на противоположном краю Вселенной, полностью противоречила общепринятым представлениям о реальности, да и вообще здравому смыслу.