Карло Ровелли - Семь этюдов по физике

Если вкратце, теория описывает многоцветный и потрясающий мир, где вселенные взрываются, пространство схлопывается в бездонные дыры, время замедляется вблизи планет и по безграничному межзвездному пространству бежит рябь, словно по поверхности моря… И все это, постепенно вырисовывавшееся из моей погрызенной мышами книги, не было сказкой, выдуманной сумасшедшим в припадке безумия, или галлюцинацией, вызванной жгучим средиземноморским солнцем и ослепительным морем Калабрии. Это было реальностью.

Или, лучше сказать, проблеском реальности, чуть приоткрывшейся по сравнению с нашим замутненным и банальным повседневным взглядом на нее. Реальности, кажущейся сотканной из той же материи, что и наши сны, но тем не менее более подлинной, чем наши неопределенные ежедневные грезы.

Все это результат изначального прозрения: пространство и гравитационное поле суть одно и то же. И простого уравнения, которое я не могу не привести здесь, даже несмотря на то, что вы почти наверняка не сумеете в нем разобраться. Возможно, кто-то из читателей все-таки сможет оценить его дивную простоту:

Rab – 1/2 R gab = Tab

Вот и все.

Вам, конечно, придется изучить и усвоить риманову геометрию, чтобы овладеть техникой для прочтения и использования этого уравнения. Это требует некоторой решимости и усердия. Но меньших, чем необходимо для того, чтобы оценить изысканную красоту позднего струнного квартета Бетховена. Награда в обоих случаях – истинная красота и новый взгляд на мир.

Два столпа физики XX века – общая теория относительности, о которой я говорил в первой главе, и квантовая механика, с которой мы имеем дело здесь, – не могли бы отличаться друг от друга сильнее. Обе теории учат нас, что тонкая структура природы искуснее, чем кажется. Однако общая теория относительности – плотная жемчужина: это простое и согласованное видение гравитации, пространства и времени, постигнутое единственным умом – Альберта Эйнштейна. Квантовая же механика, или квантовая теория, добилась несравненного экспериментального успеха и привела к созданию практических приложений, преобразивших нашу повседневную жизнь (вспомним хотя бы компьютер, на котором я печатаю), – и все равно спустя более ста лет после своего рождения она остается окутанной тайной, непостижимой.

Обычно говорят, что квантовая механика родилась точно в 1900 году, фактически ознаменовав наступление века напряженной мысли. Немецкий физик Макс Планк вычислил электрическое поле в горячем ящике в состоянии теплового равновесия. Для этого он прибегнул к трюку: представил, будто энергия поля распределена по «квантам», то есть сосредоточена в пакетах, порциях. Это ухищрение привело к результату, который прекрасно воспроизвел измерения (а значит, обязательно в какой-то степени был правильным), но расходился со всем, что тогда было известно. Считалось, что энергия изменяется непрерывно, и не было причин обращаться с ней так, словно она сложена из небольших кирпичиков. Вообразить энергию составленной из ограниченных пакетов было для Планка своеобразной вычислительной уловкой, и он сам не понял до конца причину ее эффективности. И снова Эйнштейн пять лет спустя осознал, что «пакеты энергии» реальны.

Эйнштейн показал, что свет состоит из порций – частиц света. Сегодня мы называем их фотонами. Он написал во вступлении к своей статье:

Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся «излучения черного тела», фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно. Согласно этому сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком. [1] Перевод А. Сазыкина, Ю. Данилова и А. Чичерина.

Эти простые и ясные строки – настоящее свидетельство о рождении квантовой теории. Обратите внимание на прекрасное начало «Я… думаю…», отсылающее нас к тем же словам, которыми Дарвин предваряет в своих дневниках великую идею о том, что виды эволюционируют, и к «неуверенности», как написал Фарадей, когда впервые выдвигал революционную идею магнитных полей. Гении сомневаются.

К работе Эйнштейна коллеги поначалу отнеслись как к неуклюжей пробе пера исключительно одаренного юноши. Именно за эту работу он впоследствии получил Нобелевскую премию. Если Планк – отец теории, то Эйнштейн – родитель, воспитавший ее.

Однако, как любое дитя, теория затем пошла своим собственным путем, не распознанным самим Эйнштейном. Только датчанин Нильс Бор во втором и третьем десятилетиях XX века положил начало ее развитию. Именно Бор понял, что энергия электронов в атомах может принимать лишь определенные значения, как энергия света, и, самое главное, что электроны способны только «перескакивать» между одной атомной орбитой и другой с фиксированными энергиями, испуская или поглощая фотон при скачке. Это знаменитые «квантовые скачки». И именно в институте Бора в Копенгагене самые блестящие молодые умы века собрались вместе, чтобы изучить эти загадочные особенности поведения в мире атомов, попытаться привнести в них порядок и построить непротиворечивую теорию. В 1925 году уравнения теории наконец появились, заменив собой всю механику Ньютона.

Трудно представить себе более выдающееся достижение. Все сразу обретает смысл, и вы можете все вычислить. Один простой пример: помните периодическую таблицу элементов, составленную Менделеевым, в которой перечислены все возможные простые вещества, входящие в состав Вселенной, от водорода до урана, и которая висит на стенах многих школьных классов? Почему в ней перечислены именно эти элементы и почему периодическая таблица имеет конкретно такую структуру, с этими периодами и элементами, обладающими именно этими специфическими свойствами? Ответ в том, что каждый элемент соответствует одному решению главного уравнения квантовой механики. Вся химия возникает из единственного уравнения.

Первым, кто написал уравнения новой теории, основываясь на невообразимых идеях, был молодой немецкий гений – Вернер Гейзенберг.

Гейзенберг предположил, что электроны существуют не всегда . А только тогда, когда кто-то или что-то наблюдает за ними – или, лучше сказать, когда они взаимодействуют с чем-то еще. Они материализуются на месте, с вычислимой вероятностью, когда с чем-либо сталкиваются. Квантовые скачки с одной орбиты на другую – единственный способ быть «реальными» в их распоряжении: электрон есть набор скачков от одного взаимодействия до другого. Когда ничто его не тревожит, он не находится ни в каком конкретном месте. Он вообще не в «месте».