Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

В свое время Гейзенберг, только-только получив степень доктора философии, перебрался в известный немецкий университет в Гёттингене, чтобы работать с Максом Борном и попытаться предложить непротиворечивую теорию квантовой механики (термин этот впервые был использован в 1924 г. в статье Борна «О квантовой механике»). Однако Гейзенберга свалила сенная лихорадка, и ему пришлось бежать из живописных зеленых мест к морю. Там он отшлифовал свои идеи о квантовом поведении атомов и отослал работу Борну, который рекомендовал ее к публикации.

Возможно, вы знакомы с именем Гейзенберга не в последнюю очередь благодаря знаменитому принципу, названному его именем. Принцип неопределенности Гейзенберга приобрел своеобразную нью-эйджевскую ауру, дающую хлеб множеству шарлатанов, которые внушают людям, будто квантовая механика предлагает надежду на мир, в котором осуществима любая мечта, какой бы необычайной она ни была.

Есть и другие знакомые имена: Бор, Шрёдингер, Дирак, а позже Фейнман и Дайсон. Каждый из этих людей совершил большой скачок в неизвестность. Но они были не одиноки. Физика – коллективная дисциплина. Слишком часто о науке рассказывают так, будто герой истории испытал внезапное озарение ночью и в полном одиночестве. Между тем Гейзенберг несколько лет работал над квантовой механикой вместе со своим научным руководителем, блестящим немецким ученым Арнольдом Зоммерфельдом (его студенты удостоились суммарно четырех Нобелевских премий, а постдоки-ассистенты – трех), а позже – с Борном (который в конце концов, почти тридцать лет спустя, тоже получил признание в виде Нобелевской премии), а также с одним из молодых коллег – Паскуалем Йорданом. В любом крупном открытии, которое мы награждаем именем и какой-нибудь премией, участвует целый легион трудолюбивых, хотя, как правило, менее известных людей, каждый из которых понемногу продвигает вперед линию атаки. Крохотные шажки и медленное продвижение в науке – норма, а не исключение.

Самые замечательные прыжки в неизвестность часто далеко не сразу оцениваются по достоинству, в том числе и авторами. Эйнштейн, к примеру, не доверял своей красивой общей теории относительности в достаточной мере, чтобы поверить в ее предсказание о том, что Вселенная не может быть статичной, но должна расширяться или сжиматься, пока наблюдения не продемонстрировали наглядно расширение Вселенной. И мир не перевернулся, когда вышла статья Гейзенберга. Друг и современник Гейзенберга, блестящий и вспыльчивый физик Вольфганг Паули (еще один будущий нобелевский лауреат из числа ассистентов Зоммерфельда), счел эту работу по существу математической мастурбацией; Гейзенберг ответил на это высказывание в шутливой форме:

Ты вынужден будешь признать, что, в всяком случае, мы не собираемся разрушить физику из злостных намерений. Когда ты бранишь нас, что мы такие ослы, что не придумали ничего физически нового, то это вполне может быть правдой. Но тогда ты такой же болван, потому что ты тоже не даешь нового… Не думай обо мне дурно, и многажды кланяюсь [7] Цит. (кроме последней фразы) по: Мехра Дж. Рождение квантовой механики // УФН т. 122 (1977), вып. 4, с. 732. – Прим. науч. ред. .

Физика никогда не развивается линейно, как это описывают в учебниках. В реальной жизни, как и во многих хороших детективах, имеются и ложные следы, и недопонимания, а ошибки и неверные повороты попадаются буквально на каждом шагу. История развития квантовой механики полна ими. Но я собираюсь перейти сразу к сути, поэтому пропущу в своем рассказе Нильса Бора, чьи идеи заложили первые фундаментальные правила квантового мира для атомов и стали основой значительной части современной химии. Мы пропустим также Эрвина Шрёдингера, который был весьма колоритной личностью и имел по крайней мере троих детей от разных любовниц, а его волновое уравнение стало самым знаменитым образом квантовой механики.

Вместо этого я сосредоточусь сначала на рассказе о Гейзенберге или даже скорее не о самом Гейзенберге, но о полученном им результате, прославившем его имя, – о принципе неопределенности Гейзенберга. Его часто интерпретируют как утверждение о том, что наблюдение за квантовыми системами влияет на их свойства, что проявилось в нашей дискуссии об электронах и фотонах, проходящих через две щели и попадающих на экран позади них.

К сожалению, это ведет к неверному пониманию, будто каким-то образом наблюдатели, в особенности наблюдатели-люди, играют ключевую роль в квантовой механике. Этим недопониманием, в частности, давно пользуется мой твиттер-противник Дипак Чопра, который, судя по высказываемой чепухе, считает, кажется, что Вселенной не существовало бы, если бы не было нашего сознания, которое и формирует ее свойства. К счастью, Вселенная появилась несколько раньше, чем сознание Чопры, и неплохо развивалась задолго до появления жизни на Земле.

В действительности принцип неопределенности Гейзенберга как таковой не имеет вообще никакого отношения к наблюдателям, хотя и ограничивает – это правда – их способность проводить измерения. На самом же деле этот принцип представляет собой фундаментальное свойство квантовых систем, и его можно вывести относительно прямолинейно и математически, отталкиваясь от их волновых свойств.

Рассмотрим, к примеру, простое волноподобное возмущение с единственной частотой (и длиной волны), которое распространяется, колеблясь, вдоль направления x .

Как я уже отмечал, в квантовой механике частицы имеют волноподобный характер. Благодаря Максу Борну мы знаем, что для любой точки квадрат амплитуды, связанной с частицей волны – той, что мы сегодня вслед за Шрёдингером называем волновой функцией частицы, – определяет вероятность нахождения частицы в данной точке. Поскольку амплитуда изображенной на рисунке колеблющейся волны более или менее постоянна во всех пиках, такая волна, если она соответствует амплитуде вероятности обнаружения электрона, подразумевала бы более или менее равномерную вероятность его появления в любой точке вдоль траектории.

А теперь рассмотрим, как выглядело бы возмущение, если бы представляло собой сумму двух движущихся вдоль оси x волн с немного разными частотами (длинами):

Складывая две волны, получим в результате следующее возмущение:

Из-за небольшого различия в длинах этих двух волн их пики и впадины будут в основном гасить друг друга, или «отрицательно интерферировать» всюду, за исключением редких участков, где совпадут два пика (одно из таких мест показано на рисунке). Это напоминает нам феномен волновой интерференции в эксперименте Юнга с двумя щелями, который я описывал выше.