Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью - Адам Беккер

и поэтому был в своей книге так непреклонен в отношении существования коллапса волновой функции. Но вопрос о том, как и почему этот коллапс происходит, все равно оставался открытым.

Решение фон Неймана заключалось в том, чтобы сделать ответственным за коллапс волновой функции наблюдателя. «Мы всегда должны делить мир на две части: наблюдаемую систему и наблюдателя, – писал фон Нейман. – Квантовая механика при помощи уравнения Шрёдингера описывает события, происходящие в наблюдаемой части мира, до тех пор, пока они не взаимодействуют с частью наблюдающей, но как только такое взаимодействие случается, то есть как только происходит измерение, требуется коллапс волновой функции»[167].

Не вполне ясно, что фон Нейман под этим подразумевал. Как некоторые считали, он хотел сказать, что коллапс волновой функции вызывается сознательностью акта измерения. Такую точку зрения отстаивали физики Фриц Лондон и Эдмонд Бауэр в книге, написанной ими спустя несколько лет под сильным влиянием труда фон Неймана. Позже такую позицию занял и Вигнер. Но этот взгляд отдает мистикой. Сказав, что сознание каким-то образом вызывает коллапс волновой функции, мы, пожалуй, решим проблему измерения, но какой ценой? Ценой новых проблем. Как может сознание влиять на волновую функцию? Раз коллапс волновой функции не удовлетворяет уравнению Шрёдингера, значит ли это, что сознание обладает способностью временно прекращать действие законов природы или изменять их? Каким образом это возможно? И что вообще собой представляет сознание? Кто им обладает? Может ли шимпанзе вызвать коллапс волновой функции? А собака? А блоха на ней? Мы открываем ящик Пандоры, полный связанных с сознанием парадоксов. Такое «решение» проблемы измерения – просто жест отчаяния, хоть в отсутствие других разумных выходов он кому-то и может показаться возможным.

Как это ни странно, фон Нейман тоже, может быть, считал, что за коллапс волновой функции ответственно сознание. Но в своей книге он этот вопрос обходит; сознательные наблюдатели в рамках его теории не имеют отдельного статуса. «Граница между наблюдателем и объектом наблюдения в огромной степени произвольна», – пишет он и в позитивистском духе заявляет, что «из опыта могут следовать только утверждения типа “наблюдатель сделал определенное (субъективное) наблюдение”, но никогда не утверждения типа “физическая величина имеет определенное значение”»[168]. Он говорит, что и работы Бора подтвердили такое «двойственное описание»[169] природы. Однако точка зрения фон Неймана на квантовую интерпретацию, разумеется, не соответствовала позиции Бора. Между Бором и «марсианами», безусловно, существовали большие расхождения не только по вопросу о коллапсе волновой функции и применимости квантовой теории к измерительным устройствам, но и в отношении к дополнительности. Когда Бор впервые выдвинул идею дополнительности на озере Комо в 1927 году, Вигнер отозвался о ней с пренебрежением; не много места уделил ей в своей книге и фон Нейман. Теперь, когда фон Нейман и другие атаковали копенгагенских ортодоксов на всех фронтах, дискуссии по вопросам оснований квантовой теории были очень вероятны.

Впрочем, к концу 1930-х годов Бору, фон Нейману и Вигнеру было не до размышлений о фундаменте квантовой физики. Дело шло к войне, и развитие новых, практически более важных областей физики не оставило места для философских построений. В январе 1939 года Бор и его ассистент Леон Розенфельд взошли на борт трансатлантического парохода. Они везли на Манхэттен свежие новости с европейского материка: немецкий физик Отто Ган расщепил атом. Бор немедленно занялся решением той же задачи. С помощью своего бывшего студента Джона Уилера отец квантовой физики приступил к разгадыванию тайн урана.

* * *

Огромная энергия атомных бомб в конечном счете происходит из процесса установления тончайшего равновесия в ядре каждого атома. Электронное облако, окружающее атомное ядро, связано с ядром силами электрического притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами в ядре. Но те же электрические силы пытаются разорвать на части само ядро – одноименные заряды отталкиваются, и тем сильнее, чем ближе они друг к другу. A типичное атомное ядро в 100 000 раз меньше, чем окружающее его электронное облако, которое в свою очередь в миллион раз меньше толщины человеческого волоса. В столь тесной близости ничем не уравновешенное электрическое отталкивание между протонами в ядре расшвыряло бы их в разные стороны со скоростью, близкой к скорости света. Но этого не происходит: протоны и нейтроны в атомных ядрах удерживаются вместе еще более мощной силой, неизобретательно названной «сильным ядерным взаимодействием». Нейтроны электрически нейтральны – отсюда и их название, – но эта сила действует на них точно так же, как и на протоны. Они играют ключевую роль в ядерном «перетягивании каната» между электрическим отталкиванием и сильным ядерным притяжением, помогая второму и не влияя при этом на первое. Сильное взаимодействие недостаточно сильно, чтобы удержать вместе два протона, и добавление к ним нейтрона увеличивает его «склеивающее» действие, не добавляя электрического заряда. Так образуется устойчивое атомное ядро из двух протонов и одного нейтрона (ядро гелия-3).

Исход противоборства между «склеивающими» ядерными силами и электрическим отталкиванием в конечном счете определяется размером ядра. В маленьких ядрах сильное взаимодействие легко побеждает, а добавление новых протонов и нейтронов обычно делает ядро еще крепче. Но ядерные силы могут действовать только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами самого протона, – не больше, чем одна триллионная доля миллиметра (эту единицу длины назвали ферми в честь Энрико). Начиная с некоторого размера ядро становится слишком большим, электрическая сила начинает побеждать ядерную, и поэтому, чем больше в ядре становится протонов и нейтронов, тем неустойчивее оно становится. Критический размер достигается ядрами никеля (28 протонов и 34 нейтрона) и железа (26 протонов и 30–32 нейтрона). Ядра бо́льших размеров менее устойчивы, а начиная со свинца, в ядре которого 82 протона и больше 100 нейтронов, они и вовсе теряют устойчивость.

Уран находится далеко за пределами этой точки. С его 92 протонами уже не важно, сколько нейтронов вы добавите в его ядро, – оно все равно рано или поздно распадется. Но две разновидности уранового ядра, прежде чем распасться, могут просуществовать миллиарды лет: уран-235 и уран-238. Эти числа обозначают общее количество протонов и нейтронов в ядрах. У U-235 143 нейтрона и 92 протона, итого 235. В ядре U-238 на 3 нейтрона больше, то есть оно немного тяжелее. Но и то и другое вещество – уран: химическая идентичность атомных ядер определяется только количеством протонов в нем. Химия сводится к электромагнитному взаимодействию атомов. Но химические свойства атома целиком определяются количеством электронов в нем, а число электронов, окружающих данное атомное ядро, в свою очередь определяется количеством протонов в этом ядре. Ядра с одним и тем же числом протонов, но различными количествами нейтронов – различные изотопы одного и того же элемента, они отличаются весом, но не своими химическими свойствами.

Бор и Уилер, основываясь