Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Когда XIX век уступил место XX веку, физики были вынуждены пересмотреть свои представления о природе света. Поначалу скромная поправка к их мировоззрению росла и набирала силу, будто снежная лавина, вызванная одним-единственным снежком, покатившимся вниз по склону, и превратилась в настоящую революцию, охватившую физику в целом – в квантовую революцию.

Первым шагом было осознание, что электромагнитную энергию не всегда можно понимать просто как волну, проходящую сквозь пространство. Например, луч света в некоторых обстоятельствах ведет себя скорее как поток крошечных частиц (теперь их называют фотонами). Среди первооткрывателей «корпускулярно-волнового дуализма» был и Эйнштейн, который в 1905 году показал, что явление, когда электромагнитное излучение вышибает электроны из атомов в металлической пластине (фотоэффект), прекрасно объясняется существованием фотонов, а не волнами электромагнитной энергии. (Кстати, Нобелевскую премию Эйнштейн получил именно за эту работу, а не за две теории относительности.)

Корпускулярно-волновой дуализм изменил все наши представления о природе света. Мы привыкли считать, что импульс – это величина, зависящая от массы частицы и ее скорости (точнее, векторной скорости). Если два тела движутся с одинаковой скоростью, у того, которое тяжелее, импульс больше, и ему труднее остановиться. У фотона нет массы, и, казалось бы, не должно быть и импульса. Однако вспомним, что Эйнштейн открыл, что масса и энергия эквивалентны, а энергия у света определенно есть, более того, луч света – это луч чистой энергии. Поэтому импульс у фотонов есть, и он связан с их энергией, хотя у них нет массы и они не могут менять скорость. Если у фотона меняется импульс, это значит, что у него изменилось количество переносимой энергии, а не скорость, а изменение энергии фотона означает изменение длины его волны.

Когда Эйнштейн все это сопоставил, у него получилось, что, если умножить импульс фотона на длину связанной с ним волны, результат всегда один и тот же. Эту величину теперь называют постоянной Планка в честь Макса Планка, еще одного первооткрывателя квантовой теории. Постоянная Планка, которую принято обозначать латинской буквой h , вскоре оказалась одной из самых фундаментальных величин в физике наряду со скоростью света c . В частности, она входит в уравнения, выведенные в первые десятилетия века для описания того, как электроны удерживаются на орбитах вокруг атомов. Непонятный дуализм природы света очень донимал ученых, однако настоящий переполох начался в 1920-е годы, когда французский ученый Луи де Бройль предложил применять корпускулярно-волновое уравнение в обратную сторону. Вместо того чтобы взять длину волны (света) и на ее основании рассчитать импульс соответствующей частицы (фотона), можно взять импульс частицы (например, электрона) и на его основании вычислить длину соответствующей волны!

Воодушевленные этой мыслью экспериментаторы тут же провели опыты, показавшие, что при правильных условиях электроны и правда ведут себя как волны. В квантовом мире (в мире очень малых величин – на уровне атома и меньше) частицы и волны – попросту две стороны всего сущего. Волны могут вести себя как частицы, частицы – как волны. В английском языке даже появился новый термин «wavicle» – «волночастица». Дуалистическое понимание волн как частиц и частиц как волн оказалось ключом к квантовому миру и привело к созданию приемлемой теории, объясняющей поведение атомов, частиц и света. Но в самой сердцевине этой теории заложена глубочайшая тайна.

Поскольку у всех квантовых сущностей есть волновой аспект, их местоположение в пространстве нельзя определить точно. Ведь волны по самой своей природе растянуты в пространстве. Поэтому мы не можем судить, где именно находится электрон; как выяснилось, неопределенность – неотъемлемая черта квантового мира. Немецкий физик Вернер Гейзенберг в 1920-е годы установил, что все наблюдаемые величины на квантовом масштабе подвержены случайным вариациям и величина этих вариаций определяется постоянной Планка. Это и есть знаменитый «принцип неопределенности» Гейзенберга. Он означает, что все качества объекта вроде электрона невозможно определить точно: мы можем лишь приписывать им вероятности, очень точно выводимые из уравнений квантовой механики, например, вероятность, с которой электрон окажется в том или ином месте в то или иное время.

Более того, неопределенная, вероятностная природа квантового мира означает, что, если с двумя идентичными волнами-частицами обойтись идентичным образом (например, столкнуть их с волной-частицей другого типа), они не обязательно отреагируют идентично. То есть результаты экспериментов на квантовом уровне тоже неопределенны, и их нужно описывать только в терминах вероятностей. Электроны и атомы – вовсе не крошечные бильярдные шарики, отскакивающие друг от друга в соответствии с законами Ньютона.

На масштабе нашей повседневной реальности все это никак не проявляется, и тела вроде бильярдных шаров действительно отскакивают друг от друга предсказуемо, детерминистически, в соответствии с ньютоновой механикой. Дело в том, что постоянная Планка очень мала: в стандартных единицах, принятых у физиков, она составляет всего 6 × 10 –34(то есть 33 нуля и 6 после запятой) джоуль-секунд. А джоуль – весьма осязаемая единица энергии в повседневной жизни: шестидесятиваттная лампочка излучает 60 джоулей энергии каждую секунду. Привычные нам тела – бильярдные шары или мы сами – не подчиняются постоянной Планка, поскольку из-за ее малого размера волна, связанная с телом, так мала, что ей можно пренебречь. Но связанная квантовая волна есть и у вас, и у бильярдного шара, хотя она становится настолько большой, что влияет на взаимодействие тел, лишь для очень маленьких тел вроде электронов с очень маленьким импульсом.

Все это довольно туманно – и мы, пожалуй, вправе спокойно отдать подобные рассуждения на откуп физикам, а сами жить себе как жили. В общем-то, так и есть, хотя полезно знать, что физика, на основании которой работают компьютеры и телевизоры, зависит от понимания квантового поведения электронов. Лазерные лучи тоже работают исключительно на принципах квантовой физики, а любой проигрыватель компакт-дисков сканирует диски и считывает музыку именно при помощи лазерного луча. Поэтому квантовая физика участвует в нашей повседневной жизни, хотя не надо разбираться в квантовой механике, чтобы включить телевизор или музыкальный центр. Но в квантовой физике содержится и кое-что другое, гораздо более важное для нашей реальности. Когда квантовая физика учла в своих уравнениях неопределенность и вероятность, это раз и навсегда положило конец предсказуемому часовому механизму ньютонового детерминизма. Если на самом глубинном уровне Вселенная устроена по-настоящему непредсказуемо и недетерминированно, значит, нам вернули свободу воли, и мы наконец вправе сами принимать решения и сами совершать ошибки.