Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

Маяки отмечают береговую линию, бросая конусы света в сторону погруженного во мрак океана. Точно так же как перемещение молекул воды заставляет море волноваться, перемещение электронов создает световые волны, и в каждом случае движение частиц генерирует последовательность колебаний, распространяющихся через свою среду.

Но на этом сходство кончается.

Волны на воде – механический феномен, который требует материального носителя, а электромагнитное излучение, в том числе видимый свет, может проходить через пустое пространство так же хорошо, как и сквозь материю. Стандартное объяснение этого феномена: электромагнитные волны формируют дуэт электрического и магнитного полей, колеблющихся перпендикулярно друг другу со скоростью света.

«Поле» – что-то вроде рельефа определенного показателя (например электрической напряженности), позволяющего обрисовать, как изменяется значение этого показателя во время движения через пространство. Это нечто вроде карты с нанесенными на нее данными (например, координатами GPS, плотностью населения, высотой над уровнем моря), которые приписаны каждой точке. Поля, чьи показатели характеризуются только значением, именуются «скалярными», а поля, где каждой точке приписано кроме значения еще и указание, в каком направлении и как меняется избранный показатель, называются «векторными».

Подумайте о карте погоды, чтобы понять разницу между скалярным и векторным полем. В любой момент времени в любой точке существует определенная температура, и следовательно, данные о температуре формируют скалярное поле. Но в каждой точке есть и определенная скорость ветра, но здесь у нас, помимо собственно величины (метры в секунду), есть еще и направление – куда ветер дует, поэтому карта скорости ветра составит векторное поле.

В классической теории электромагнетизма векторные поля переносят и электрическую, и магнитную силу. Эти поля заполняют пространство словно безграничное море энергии, электрические поля представляют величину и направление электрической силы на единицу заряда в каждой точке пространства, магнитные поля характеризуют величину магнитной силы на единицу движущегося заряда в каждой точке (по классике, только движущиеся заряды порождают магнетизм).

Поля не только действуют на заряды, они создаются зарядами: один или несколько электрических зарядов автоматически генерируют электрическое поле. Если этот заряд или набор зарядов движется, то непременно возникнет еще и магнитное поле. Направления электрического и магнитного полей, созданных одним набором зарядов, обычно отличаются на девяносто градусов.

Уравнения, предложенные Джеймсом Клерком Максвеллом, показывают, что движение этих полей распространяется с помощью своеобразного «эффекта домино». Изменение электрического поля естественным образом продуцирует изменение расположенного перпендикулярно магнитного, если изменяется второе, то неизбежно меняется первое, и таким образом своеобразный поезд из вибраций с пыхтением движется через пространство.

Это может происходить в вакууме точно так же, как и в плотной среде.

Чтобы начался этот процесс, требуется всего один получивший ускорение заряд, такой, как электрон, двигающийся вверх-вниз в пределах антенны. Это движение производит электрическое поле, колеблющееся вверх и вниз, и магнитное, движущееся вперед-назад (под прямым углом к электрическому). Колебания и движения провоцируют еще больше колебаний, формируя тем самым электромагнитную волну, ну а та со скоростью света путешествует через вакуум и несколько медленнее через материю.

Если волна врезается в другую антенну, она освобождает любой свободный электрон в ее пределах, давая ему возможность двигаться вверх-вниз. Таким образом шаблон с передающей антенны может быть легко воспроизведен на принимающей антенне. Радиосигналы передаются с помощью такого вот копирования – наборы волн, сгенерированные на радиостанции, могут быть переданы на приемник в автомобиле.

В случае с маяками трансляция – созданная в нитях накала, а не в антеннах – имеет более короткую волну и более высокую энергию, попадая тем самым в видимую часть спектра. Получается луч яркого света, легко заметный для путешествующих ночью моряков, которые весьма благодарны, что существует такое проявление электромагнетизма.

Сегодня концепция электромагнитных волн – несущейся через пространство волновой пульсации – принята практически повсеместно. Идея Максвелла была успешно модифицирована, чтобы соответствовать предсказаниям квантовой теории.

Но в начале сороковых годов, когда Джон Уилер и Ричард Фейнман проводили совместные исследования, было не до конца ясно, как выглядит полная квантовая картина электромагнетизма. Поэтому им было вовсе не обязательно включать идею поля в собственные модели. Наши герои рассматривали альтернативы, возрождавшие старую идею Ньютона о «действии на расстоянии»: отдаленное взаимодействие между частицами.

Уилер и Фейнман хорошо понимали как преимущества, так и недостатки квантовой механики. Они знали, что в определенных областях она обеспечивает прекрасное сочетание теории с результатами измерений, а в других вовсе не оправдывает ожиданий.

Часто в таких случаях возникал ответ в виде бесконечности, как при попытке деления на ноль на современном калькуляторе. Работая вместе, Уилер и Фейнман решили взяться за эти дефекты всерьез, поставить квантовую физику на более прочную основу, и для этого отсортировать имеющиеся в ней ингредиенты, выбрать те, что абсолютно необходимы, и определить, возможно ли модифицировать или даже отбросить другие.

Чтобы понять, на сколь большую смену парадигмы отважились молодые физики, давайте сделаем шаг назад, к началу квантовой механики. Мы рассмотрим и нерелятивистскую (для низких скоростей) и релятивистскую (для скоростей, близких к скорости света) версии. Затем мы увидим, какие квантовые элементы Уилер и Фейнман сохранили, а какие они решили изменить или убрать вовсе в своих попытках реформировать основы физики.

В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил теорию фотоэлектрического эффекта, показавшую, что волновая картина электромагнетизма не объясняет все феномены. Переносимый фотонами или «волновыми пакетами» свет одновременно проявляет свойства волны и частицы. Эффект Комптона, где фотоны переносят энергию и импульс (свойства частицы), связанные с их частотой и длиной волны (свойства волны), представлял отличный пример исключения.

Нильс Бор в ранние годы карьеры прославился в первую очередь тем, что создал модель атома наподобие Солнечной системы, где планеты-электроны вращаются вокруг солнца-ядра. Вместо непрерывного набора возможных орбит Бор предложил правила, согласно которым формируется шаблон, набор вероятных траекторий, каждая со своим определенным уровнем энергии.