Маркус Чоун - Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

Паули едва перевалило за двадцать, когда в 1921 году он ворвался на научную сцену, написав обзор, посвященный общей теории относительности, который даже Эйнштейну сообщил кое-что новенькое о его собственной теории. Знаменитый своей прямолинейностью — или просто высокомерием (одни физики считали так, а другие эдак), — Паули был не прочь встать на лекции и сообщить лектору, что он говорит полную ерунду, невзирая на то, кто он и какова его репутация. Самомнение Паули было настолько высоким, что в физическом сообществе о нем был пущен анекдот примерно следующего характера.

Паули умирает и попадает на небеса. Бог спрашивает у него: есть ли в физике что-нибудь такое, о чем он, Паули, хотел бы узнать. Паули отвечает: да, есть; ему непонятно, почему постоянная тонкой структуры, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, имеет значение 1/137,035 999 074, а не просто 1/137. Бог подходит к доске и начинает быстро покрывать ее уравнениями. Спустя короткое время лицо Паули озаряет победоносная ухмылка. Он выхватывает из рук Бога мелок и говорит: «Вот оно! Смотри, в этом месте ты допустил ошибку, и дальше все пошло не так».

Однако, несмотря на его чудовищный эгоизм, Паули был одним из влиятельнейших физиков XX века. В 1930 году он сделал свое знаменитое предсказание о существовании «нейтрино», призрачной частицы, которая уносит с собой энергию, «исчезающую» при радиоактивном бета-распаде. Эта частица поразительно увертлива: сквозь нас каждую секунду проносятся 100 триллионов солнечных нейтрино и атомы нашего тела им нисколечко не мешают. Уже одного открытия нейтрино было бы достаточно, чтобы Паули сделал себе имя. Однако знаменит он прежде всего своим принципом запрета, за который Паули в 1945 году получил Нобелевскую премию по физике.

Принцип запрета, сформулированный Паули, — один из самых удивительных эдиктов во Вселенной, и тем не менее он пользуется дурной славой: даже лучшие попытки физиков объяснить его на понятном всем языке терпели неудачу. Однако не пугайтесь. Первый шаг к пониманию — это снова оценить эксперимент с двумя прорезями и выудить из него кое-что еще, а именно: одно конкретное умозаключение, которое он позволяет сделать, имеет более общий характер, чем кажется на первый взгляд.

Вспомним: если нам удастся определить прорезь, сквозь которую проходит каждая частица, никакого зебрового интерференционного рисунка на втором экране не будет и в помине. Вместо этого частицы, проходящие сквозь прорези, равномерно распределятся по второму экрану. Исследование вопроса: каким образом определение прорези, через которую проходит частица, размывает интерференционную картину, — подталкивает к выводу, что сам акт наблюдения заставляет частицу, несущуюся сквозь пространство, рыскать в полете самым случайным образом. Это рыскание, эта «нервная дрожь» частицы, как и многое другое в квантовом мире, имеет фундаментальный характер, она от природы свойственна всем обитателям микроскопического царства и абсолютно неодолима. Она, эта дрожь, говорит нам: как бы мы ни старались одновременно определить и местоположение частицы, и ее импульс, нашим стараниям положен жесткий предел. Чем точнее мы устанавливаем местоположение, тем неопределеннее наше представление об импульсе. И наоборот. Вот такой компромисс.

С точки зрения волны (но не частицы) этот самый «принцип неопределенности» довольно тривиален. Чем больше волна локализована в пространстве, тем больше в ней ярости и порывистости, и, следовательно, тем большими энергией и импульсом она обладает.

Принцип неопределенности служит для защиты интерференции — основы квантовой «потусторонности». Если у микроскопической частицы есть два варианта выбора и можно обнаружить — пусть даже в принципе, — какой из них она предпочла другому, то исключается сама возможность интерференции, поскольку важнейшее условие интерференции заключается в том, что две вещи должны смешиваться. Однако если не получается обнаружить, какую возможность выбрала частица, то интерференция между волнами, отображающими два варианта выбора, обязательно произойдет.

Это и есть ключевой момент — обобщение результата эксперимента с двумя прорезями. Интерференция происходит, если два варианта выбора неразличимы.

А какое отношение все это имеет к электронам? Самое прямое. Ведь получается, что электроны принципиально не различимы. Еще раз повторю: мы говорим здесь о свойствах микроскопического царства, у которого нет абсолютно никаких параллелей с миром нашей повседневной жизни. Мы можем сказать, что две куклы Барби неразличимы, однако фактически, на молекулярном уровне, это вовсе не так. Даже если взять уровень повыше, отличия все равно найдутся: в прическе одной куклы может быть на несколько волосинок больше, чем у другой, может различаться количество мятых складок на одежде. В нашем повседневном мире нет двух истинно одинаковых объектов. А теперь сравним этот мир с миром микроскопическим. Насколько мы знаем, каждый из триллионов триллионов триллионов электронов во Вселенной абсолютно идентичен всем остальным. У любого электрона, какой ни возьми, нет ни царапин, ни шрамов, ни пятнышек, ни чего-либо еще, выделяющего его из множества других электронов. И эта неразличимость — нечто поистине новое под солнцем.

А ключевой момент — помните об этом! — заключается в том, что неразличимые вещи могут интерферировать друг с другом. И поскольку невозможно отличить один электрон от другого, это имеет важные последствия для атомов, которые как раз электроны-то и содержат.

Вообразим себе некий процесс, в котором участвуют две идентичные частицы, взаимодействующие друг с другом. Это могут быть две любые частицы, лишь бы они были неразличимы. Например, два электрона, или два фотона, или даже два атома золота (на данном этапе наших рассуждений лучше, чтобы пример был как можно более обобщенный, вовсе не обязательно цепляться именно за электроны). В самом общем случае детали взаимодействия между частицами нам не известны. Они могут ходить парой, сталкиваться лоб в лоб, отскакивать друг от друга. Или же могут делать множество других вещей. Главное — мы не знаем никаких деталей.

Предположим, что, как и в эксперименте с двумя прорезями, мы имеем доступ к частицам только до и после их взаимодействия. Ну что же, теперь вообразим, что две частицы стартуют соответственно из точки 1 и точки 2. Затем они взаимодействуют и оказываются в точках 3 и 4. Есть два варианта, как это могло произойти. Частица, стартовавшая из точки 1, может оказаться в точке 3, а частица, начавшая свой путь из точки 2, заканчивает его в точке 4. Или же частица из точки 1 попадает в точку 4, а частица из точки 2 — в точку 3.