Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Корпускулярно-волновой дуализм — это палка о двух концах. В 1923 году французский физик Луи де Бройль предположил, что не только световые волны могут вести себя как локализованные частицы, но и частицы, например электроны, могут демонстрировать волновое поведение. Это звучало как полная бессмыслица. Но в 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер в США и Джордж Томсон в Шотландии выяснили, что электроны могут интерферировать друг с другом и что при этом их квантовые волны усиливаются или гасятся, как рябь, бегущая по поверхности озера. Интересно, что отцом Джорджа Томсона был Дж. Дж. Томсон, открывший электрон. Отец получил Нобелевскую премию за то, что доказал корпускулярную природу электрона, а его сын — за то, что опроверг её.

Открытие волн, ведущих себя как частицы, имело шокирующие последствия для физики, равно как и открытие частиц, ведущих себя как волны. Оказалось, что фундаментальные строительные блоки материи способны делать множество вещей, доступных волнам, и хотя в нашей реальности их последствия незаметны, их воздействие на микромир огромно.

Представьте себе море: оно волнуется во время шторма, но постепенно ветер спадает и остаётся лишь мелкая рябь. Если вы наблюдали оба этих вида волн, то знаете, что иногда они могут сочетаться друг с другом: на поверхности большой волны появляются мелкие. Подобный эффект возникает не только в океане, но и во всех типах волн. Если существует две волны, может существовать и их комбинация, или суперпозиция. Казалось бы, это банальное наблюдение, но в микромире оно имеет огромное значение.

Вообразите себе квантовую волну, которая представляет собой атом кислорода (по-научному такая волна вероятности будет именоваться волновой функцией). Допустим, что в правом углу комнаты она имеет высокую амплитуду. Иными словами, у нас есть почти 100%-ный шанс найти там атом кислорода. В этом нет ничего необычного. Но давайте вспомним: если могут существовать две волны, то возможна и их суперпозиция. Однако суперпозиция двух квантовых волн, соответствующих атому кислорода, означает, что этот атом будет одновременно находиться и в правом, и в левом углу комнаты.

При этом никто никогда не наблюдал атом кислорода в двух местах одновременно. [231] Большинство физиков полагают, что квантовые системы изолированы и что они перестают действовать в соответствии с квантовыми законами в результате процесса, называемого декогерентностью. Важно понять, что учёные ни разу не наблюдали квантовое поведение напрямую. Когда человеческий глаз регистрирует фотон, тот оставляет свой отпечаток на сотнях атомов. Именно его воспринимает мозг (то есть, по сути, всё, что мы видим, — это мы сами). Сотни атомов трудно удержать в суперпозиции (волны прекращают накладываться друг на друга, наступает декогерентность), и квантовые свойства утрачиваются. Однако, если бы все эти атомы можно было удержать в суперпозиции, квантовые эффекты, в принципе, могли бы проявляться в любых масштабах. Сегодня физики пытаются достичь этого, например построить «квантовый компьютер», основанный на способности квантовых систем одновременно проводить множество процессов. С другой стороны, Роджер Пенроуз полагает, что квантовые эффекты не могут проявляться во всех возможных масштабах и что существует порог массы, за которым происходит переход от квантовой физики к классической. Какая из сторон права, выяснится в результате экспериментов. См.: Chown M. Quantum Theory Cannot Hurt You. — London: Faber & Faber, 2006. Если он оказывается в левом углу комнаты, то волна, соответствующая тому же атому в правом углу, моментально коллапсирует. Это утверждается в уравнении Шрёдингера. До тех пор пока местоположение атома не будет точно определено, существует множество вероятностей, но как только наблюдатель увидит атом, актуализируется лишь одна из них. Атом оказывается в строго определённой точке со 100%-ной вероятностью. Величие уравнения Шрёдингера состоит в том, что оно примиряет две непримиримые стороны, объединяя частицы и волны в единое математическое целое. [232] Соотнесение квантового мира, где всё существует в диапазоне вероятностей, и повседневного мира, где существование каждой вещи строго определено, — это фундаментальная и глубокая задача. Существует как минимум 13 интерпретаций квантовой теории, которые пытаются сделать это, и все они предсказывают одни и те же результаты для каждого возможного эксперимента. Возможно, самой невероятной интерпретацией является теория множественных миров, предложенная Хью Эвереттом III в 1957 году. Согласно ей каждая волна в суперпозиции описывает отдельную реальность. Например, если атом кислорода находится в суперпозиции двух волн, одна из которых описывает его расположение в левой части комнаты, а вторая — в правой, на самом деле он находится в обоих местах одновременно, но в двух параллельных реальностях.

Однако если никто никогда не наблюдал атом кислорода (или, если уж на то пошло, любое другое тело) в двух местах одновременно, то какая разница, имеет ли место квантовая суперпозиция? Но дело в том, что у неё есть последствия , которые приводят к необычным событиям в микромире.

Приведу простой пример. Два совершенно одинаковых шара для боулинга сталкиваются и рикошетят друг от друга, отлетая в противоположные стороны от точки соприкосновения. Теперь допустим, что эти столкновения повторяются, а мы фиксируем направление полёта: на два часа и восемь часов, затем на четыре часа и десять часов и так далее. После того как этот процесс воспроизведётся сотни раз, не останется ни одного направления, в котором не двигался бы каждый шар.

Теперь давайте заменим шары в этом эксперименте на два одинаковых квантовых объекта, например электрона или атома кислорода. Если мы столкнём их несколько сотен раз, то заметим, что в некоторых направлениях частицы никогда не перемещаются: например, на три часа и девять часов или на пять часов и одиннадцать часов. Почему это происходит? По этим направлениям пики вероятностной волны одной из частиц совпадают с самыми низкими значениями вероятностной волны второй частицы. Они гасят друг друга, сводя вероятность обнаружения частиц на данных направлениях к нулю.

Суть в том, что благодаря интерференции две квантовые волны в суперпозиции могут взаимодействовать друг с другом ещё до того, как наблюдатель обнаружит частицу. Из-за этого могут возникать неожиданные последствия, например неспособность сталкивающихся частиц разлететься в определённых направлениях.

Это также объясняет, почему электрон, движущийся по орбитали вокруг атомного ядра, не падает на него, как предсказывает теория Максвелла. Существуют миллионы траекторий, по которым электрон может двигаться в направлении ядра: прямая, спираль и так далее. С каждой из них связана своя квантовая волна. Поблизости от ядра эти волны гасят друг друга, а значит, вероятности обнаружить там электрон нет.