Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Не может ли электрон оказаться чем-то таким, что проявляется лишь во время взаимодействия, когда он сталкивается с другим объектом, и что не имеет точного положения в интервале между двумя взаимодействиями? Что, если свойство всегда иметь определенное положение приобретается лишь вещами достаточно солидными – крупными и тяжелыми, как человек, который недавно прошел мимо подобно призраку в темноте, а затем растворился в ночи?..

Пожалуй, только в самом начале своей научной карьеры можно принимать всерьез столь бредовые предположения. Вам должно быть немногим за двадцать, чтобы верить в то, что они могут превратиться в новую всеобъемлющую теорию. И возможно, вам нужно быть таким молодым, чтобы первым и лучше всех остальных понять глубинную структуру природы. Эйнштейн в том же возрасте понял, что время не для всех течет одинаково, и с Гейзенбергом в ту ночь в Копенгагене случилось нечто подобное. Вероятно, после тридцати настолько доверять своей интуиции уже не стоит…

Гейзенберг возвращается домой в невероятном эмоциональном возбуждении и погружается в вычисления. Спустя некоторое время он выныривает с новой, приводящий в замешательство теорией – фундаментальным описанием движения частиц, в котором они характеризуются не своим положением в каждый момент времени, но лишь положениями в определенные мгновения, когда они взаимодействуют с чем-то другим.

Это второй краеугольный камень квантовой механики и самый сложный для понимания – реляционный аспект вещей. Электроны существуют не всегда. Они существуют, лишь когда взаимодействуют. Они материализуются в том месте, где сталкиваются с чем-то другим. Квантовые скачки с одной орбиты на другую – это их способ реального существования: электрон – это совокупность скачков от одного взаимодействия до другого. Когда ничто его не возмущает, электрон не находится ни в каком определенном месте. Вместо того чтобы записывать положение и скорость электрона, Гейзенберг записывает таблицы из чисел (матрицы). Он умножает и делит таблицы чисел, представляющие возможные взаимодействия электрона. И словно на волшебных счетах мага, результат получается в точности соответствующим наблюдениям. Это первые фундаментальные уравнения квантовой механики. С того момента эти уравнения будут только работать, работать и работать. По сей день поразительным образом они ни разу не дали сбоя.

И наконец, еще один двадцатипятилетний исследователь, который подхватил работу, начатую Гейзенбергом, принял из его рук новую теорию и сконструировал для нее целостный формальный и математический каркас – англичанин Поль Адриен Морис Дирак, которого многие считают величайшим после Эйнштейна физиком XX столетия.

Несмотря на свою роль в науке, Дирак гораздо менее известен, чем Эйнштейн. Это отчасти связано с высочайшей абстрактностью его науки, отчасти с его странным характером. Незаметный в компании, крайне замкнутый, неспособный выражать эмоции, часто не узнающий в лицо знакомых, не умеющий даже поддержать обычный разговор или, как могло показаться, не понимающий простых вопросов, он фактически выглядел аутистом, и возможно, действительно страдал подобного рода расстройством.

Во время одной из его лекций коллега сказал ему: «Я не понимаю этой формулы». Сделав короткую паузу, Дирак продолжил, никак не отреагировав. Модератор прервал его, спросив, может ли он ответить на вопрос. Дирак, искренне удивившись, возразил: «Вопрос? Какой вопрос? Мой коллега сделал утверждение». Таков был характерный для него крайний педантизм. Это не было высокомерием: человек, способный открывать ускользающие от всех остальных секреты природы, может не улавливать неявные смыслы языковых конструкций, воспринимая лишь их буквальный смысл [71]. И все же в его руках квантовая механика превратилась из запутанных догадок, полузаконченных вычислений, туманных метафизических дискуссий и хорошо работающих, но необъяснимых уравнений в прекрасное архитектурное сооружение – воздушное, простое и невероятно красивое. Красивые, но высочайшего стратосферного уровня абстракции.

Досточтимый Бор сказал о нем: «Из всех физиков у Дирака самая чистая душа». И разве это не видно по его глазам (рис. 4.4)?

Рис. 4.4.Поль Дирак

Его физика обладает девственной чистотой песни. Для него мир состоит не из вещей, а из абстрактных математических структур, которые показывают нам, как вещи выглядят и каково их поведение, когда они себя проявляют. Это магическая встреча логики и интуиции. Глубоко впечатленный Эйнштейн заметил: «Дирак представляет для меня проблему. Сохранять равновесие на этом головокружительном пути между гениальностью и безумием – пугающее предприятие».

Квантовая механика Дирака – это математическая теория, используемая сегодня любым инженером, химиком или молекулярным биологом. В ней каждый объект определен абстрактным пространством [72]и сам по себе не имеет никаких свойств, кроме неизменных, таких как масса. Его положение и скорость, угловой момент и электрический потенциал и т. п. обретают реальность только тогда, когда он сталкивается – взаимодействует – с другим объектом. Неопределенно не только его положение, о чем догадался Гейзенберг, – ни одна из переменных не определена для объекта между двумя его последовательными взаимодействиями. Этот реляционный аспект теории становится универсальным.

Когда электрон внезапно появляется в процессе взаимодействия с другим объектом, физические переменные (скорость, энергия, импульс, угловой момент) не принимают произвольные значения. Дирак дает универсальный рецепт, как вычислить набор значений, которые может принимать физическая переменная [73]. Эти значения аналогичны спектру света, испускаемого атомами. Сегодня мы называем набор конкретных значений, которые может принимать переменная, спектром этой переменной по аналогии со спектром, на который раскладываются составляющие света – первого проявления этого феномена. Например, радиус орбиталей для электрона, находящегося вблизи ядра, может принимать только конкретные значения, включенные Бором в свою гипотезу, которые называются спектром радиуса .

Теория также дает информацию о том, какое значение спектра проявит себя в следующем взаимодействии, но лишь в форме вероятностей. Мы не знаем с уверенностью, где окажется электрон, но мы можем вычислить вероятность того, что он появится в том или ином месте. Это радикальное изменение по сравнению с теорией Ньютона, которая, в принципе, допускала возможность предсказывать будущее с полной уверенностью. Квантовая механика привносит вероятность в самое сердце эволюции всех вещей. Эта неопределенность – третий краеугольный камень квантовой механики: открытие того, что вероятность работает на атомном уровне. В то время как ньютоновская физика позволяет с полной определенностью предсказывать будущее, если мы располагаем достаточной информацией о начальном состоянии и можем выполнить необходимые вычисления, то квантовая механика позволяет нам вычислить лишь вероятность события. Это отсутствие детерминизма на малых масштабах – неотъемлемое свойство природы. Природа не обязывает электрон двигаться вправо или влево; он делает это случайно. Видимый детерминизм макроскопического мира связан только с тем фактом, что микроскопические случайности в среднем гасят друг друга, оставляя лишь флуктуации, слишком малые для нашего восприятия в повседневной жизни.