Всё страньше и страньше. Как теория относительности, рок-н-ролл и научная фантастика определили XX век - Джон Хиггс

ныне известная как квантовая механика. Она родилась из как будто вполне безобидных работ по изучению светового и теплового излучения, выполнявшихся на рубеже столетий разными учеными, преимущественно Эйнштейном и немецким физиком Максом Планком. Эти исследования завлекли ученых в интеллектуальную кроличью нору, столь странную и неожиданную, что даже Эйнштейн опасался, не означает ли это конец физики как точной науки. «Как будто почва ушла из-под ног, – говорил он. – И не видно нигде твердой опоры, на которой можно что-то построить».

В своих опасениях в отношении новой дисциплины Эйнштейн был не одинок. Проблема – в формулировке, обычно приписываемой датскому физику Нильсу Бору, – выглядела так: «Все, что мы считаем реальностью, сделано из материи, которую признать реальной нельзя». Как отмечал позже Ричард Фейнман, возможно, величайший физик послевоенной эпохи: «Пожалуй, смело можно сказать, что квантовую механику не понимает никто». Может быть, лучше всех резюмировал ситуацию австрийский физик Эрвин Шрёдингер, сказав: «Я не люблю [квантовую механику], и я жалею, что имел к ней отношение». Но никакая неприязнь не отменяет того, что квантовая механика работает. Насколько она надежна и полезна, свидетельствуют компьютерные технологии, используемые нами каждый день: принцип работы микросхем основан именно на квантовой механике.

Появления этой дисциплины никто не ожидал. Ученые благополучно разбирали свойства материи, все глубже проникая в ее структуру, и совсем не подозревали, какой кошмар их ждет. Все шло гладко до уровня атомов. Если вы возьмете ком чистого вещества, одного из 92 встречающихся в природе элементов, например золота, и разрежете надвое, а один кусок выбросите, то оставшаяся часть будет все равно комом золота. Раз за разом повторяя эту операцию, вы все равно получите кусок золота, только размер его будет постоянно уменьшаться. В итоге у вас останется один атом, но и этот атом будет по-прежнему золотом.

И вот в этот момент процесс ломается. Если вам случится разделить надвое этот атом, то ни одна из частей золотом не будет. У вас будет кучка частиц, которые прежде составляли атом золота, отдельных квантов, которые и дали новой науке свое имя, но золота у вас уже не останется. Похоже на разбивание пиньяты, кода вы получаете кучу конфет и куски папье-маше, но самой пиньяты уже нет.

Сначала все казалось более-менее стройным. В центре атома ядро, сложенное из частиц, именуемых протонами и нейтронами. Вокруг него движутся по замкнутым орбитам электроны, которые много меньше и легче как протонов, так и нейтронов. Но потом стало ясно, что все эти частицы можно в свою очередь тоже расщепить. Например, протон, как оказалось, состоит из некоторого числа частиц, называемых кварками. В атомах обнаружилось несколько десятков видов строительных блоков, которые скоро получили экзотические названия типа лептон, бозон или нейтрино. Общим названием всем им послужил термин «субатомные частицы».

Далее трудность возникла со словом «частицы». Поначалу оно как будто вполне подходило. Частица – это микроскопический объект, отдельное тело, имеющее массу и объем. Ученые привыкли представлять частицы как бы бильярдными шарами, только мельче. Такие частицы можно теоретически положить в буфет или зашвырнуть в конец комнаты. У этих частиц физики замеряют такой параметр, как спин[39], который может быть направлен по часовой стрелке или против часовой стрелки, как если бы этот микроскопический бильярдный шар быстро вращался. Классическая схема атома – это сцепка из нескольких бильярдных шаров в центре и нескольких шаров, летающих вокруг по четко прочерченным орбитам. Изучение субатомного мира, как полагали, – что-то вроде наблюдения за сталкивающимися и разлетающимися бильярдными шарами, только в уменьшенном масштабе. По крайней мере, люди инстинктивно склонялись к такому представлению.

Но оказалось, что нет.

Углубляясь в материал, ученые вдруг оказались в странном положении: они многое узнали о том, как ведут себя субатомные частицы, но ничего не знали о том, что те собой представляют. Одно из предположений, тщательно разрабатываемое с середины 1980-х, состоит в том, что субатомные частицы – это всё, что доступно нашему наблюдению от многомерных вибрирующих струн. Пока мы не знаем, насколько верна эта гипотеза. Единственное, что мы можем сказать с какой-то определенностью, – мы не понимаем, что это за сущности.

Теперь мы знаем, что эти строительные блоки атомов не похожи на бильярдные шары, потому что они ведут себя еще и как волны. Волны, например звуковые или на море, – это не отдельные фрагменты материи, а повторяющиеся возмущения среды, такой как воздух или вода. Опыты, поставленные с целью продемонстрировать волновую природу субатомных частиц, убедительно доказали, что они действительно ведут себя как волны. Но опыты, которые должны были доказать, что эти объекты – отдельные крупицы материи, тоже оказались успешными. Как же это возможно, чтобы одна и та же сущность могла вести себя как уменьшенный бильярдный шар и в то же время как волна? Это все равно что найти предмет, который будет являться кирпичом и песней одновременно.

Изучать объекты, совместившие в себе свойства двух несовместимых вещей, было не самой простой задачей. Своего рода дзен-буддизм с добавкой математики. Ученые узнали, что субатомные частицы могут в один момент времени находиться более чем в одном месте, что они могут «вращаться» в разных направлениях одновременно, моментально перемещаться из одного места в другое, не пересекая пространства между этими пунктами, и каким-то образом моментально сообщаться на огромных расстояниях, в нарушение всех известных законов природы. И, как будто этого мало, в довершение всего загадочные объекты оказались и частицами и волнами в одном лице. И все же, сколь бы трудно в это ни верилось, после масштабной научной дискуссии в первой половине XX века и ряда неимоверно дорогих экспериментов во второй сегодня поведение субатомных штуковин для ученых по большей части предсказуемо.

Как одно из следствий того, что ученые приняли «двуприродную» модель субатомных частиц, распространилось мнение, что эти объекты крайне странны. Но это чистое заблуждение. Свойства субатомных частиц – самые обычные и заурядные для нашей Вселенной вещи. Они постоянно присутствуют вокруг нас, и это скорее «обыденность», чем «странность». Субатомные частицы кажутся нам странными только потому, что их свойства разительно отличаются от картины мира, которую мы видим на своем человеческом уровне. Здесь вновь наблюдатель не менее важен, чем наблюдаемое. Проблема не во Вселенной, а в нас.

С моделями волны и частицы есть одна опасность: легко забыть, что это просто метафоры. Чтобы уяснить природу субатомных частиц, нам нужно усвоить, что они – ни волны, ни частицы в обычном понимании этих слов. Нам понадобится новая метафора, которая показывает, что в этом масштабе мир построен по другим,