Чудеса обычных вещей - Маркус Чоун

Первым человеком, который осознал, что фундаментальная реальность, служащая основой нашего повседневного мира, абсолютно на этот мир не похожа, был шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), пожалуй, самый значительный физик в период между Ньютоном и Эйнштейном (прискорбный факт: Максвелл умер всего в 48 лет от рака желудка). Его величайшим триумфом — это было в 1860-е годы — стало то, что он свел все магнитные и электрические феномены к небольшому, аккуратному набору формул. «Уравнения Максвелла» настолько компактны, что вы смогли бы записать их на обороте почтовой марки (если, конечно, у вас достаточно мелкий почерк!).

До Максвелла физики выстраивали картину мира, оперируя образами вещей, которые они видели вокруг себя. К примеру, они рассуждали о Ньютоновой «часовой Вселенной», предполагая гигантский часовой механизм мироздания, который когда-то был заведен и продолжает тикать с абсолютной регулярностью. Поначалу Максвелл ничем не отличался от этих ученых. Например, пытаясь понять, как магнит дотягивается до кусочка металла, а затем приближает его к себе, он воображал, что пространство между магнитом и металлом заполнено невидимыми передаточными колесиками с зубчиками. Колесико, тесно прижатое к магниту, поворачивает своими зубчиками соседнее колесико, то поворачивает следующее, и так далее. Подобным образом сила передается от магнита к металлу. Когда эта картина не совпала с его наблюдениями магнитных явлений, Максвелл модифицировал ее, вообразив, что колесики сделаны из пружинистого материала и, вертясь, они немного прогибаются. Когда не сработало и это, ученый в отчаянии возвел к небу руки и распрощался с подобными «механическими» моделями. Он понял, что природа не сравнима ни с чем из того, что окружает нас в повседневной жизни.

Вместо невидимых крутящихся колесиков Максвелл вообразил нечто, не имеющее никаких аналогий в повседневном мире, — призрачные электрические и магнитные «силовые поля», пронизывающие пространство. Это был полный раскол с прежними представлениями — раскол, подобный сейсмическому разрыву. В долгосрочной перспективе прозрение Максвелла раскрепостит ученых, даст возможность Эйнштейну вообразить гравитацию как искривление четырехмерного пространства-времени и позволит физикам нашего времени сформулировать гипотезу о том, что фундаментальные структурные элементы материи — это крошечные струны массы-энергии, вибрирующие в невообразимом пространстве десяти измерений.

Однако потребовалось немалое время, чтобы физики усвоили серьезный урок Максвелла и осознали: в своих попытках понять фундаментальную реальность они должны обходиться без страховочной сетки житейской интуиции. По сути, этот урок еще не был усвоен, когда в первом десятилетии двадцатого века произошло титаническое столкновение между теориями света и материи — столкновение, которое породило корпускулярно-волновую теорию света.

Бог все-таки играет в кости

Представим себе, что свет ведет себя, как поток частиц (собственно, это его поведение и служит предметом нашего разговора в данной главе). Такое представление очень важно для того, чтобы понять, каким образом мы видим отражение собственного лица в оконном стекле. Почему же оно столь важно? А вот почему. Если свет — это волна (вспомним волну от катера, которая частично перекатывается через подтопленное бревно, а частично от него отражается), то объяснить отражение в окне не составляет никакого труда. Но если свет — это поток частиц, несущихся как пули, то объяснение феномена отражения превращается в дьявольски трудную задачу. Ведь все фотоны одинаковы. Однако если все они одинаковы, то и преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все — отражаются. Каким же образом проходят только 95 % фотонов, а 5 % все-таки отскакивают назад?

Это классический случай физического парадокса — ситуации, когда некая теория — в данном случае корпускулярная теория света — предсказывает одно, а здравый смысл говорит нам нечто противоположное. Наш опыт, несомненно, заслуживает доверия — мы и в самом деле можем видеть как пейзаж за окном, так и размытое отражение собственного лица в оконном стекле. Следовательно, что-то не так с нашим представлением о фотонах.

Существует только одна логическая возможность: у каждого фотона есть 95 шансов из 100 проскочить сквозь стекло и пять шансов — отразиться. Это обстоятельство кажется совершенно безвредным, однако на самом деле оно — настоящая бомба, сброшенная в самое сердце физики. Потому что если нам известны только шансы (правильнее говорить — «вероятность») фотона пройти сквозь окно или отскочить от стекла, то это означает только одно: мы теряем всякую надежду узнать в точности, что произойдет с отдельным фотоном на самом деле. Как заметил Эйнштейн — по иронии судьбы первый ученый, предположивший существование фотона, — это катастрофа для физики. Поведение фотона никак не совмещалось с тем, что наука говорила ранее. Ведь физика была рецептом для абсолютно точного предсказания будущего. Если в полночь Луна вот в этой точке небосвода, то, опираясь на Ньютонов закон тяготения, мы со стопроцентной уверенностью можем предсказать, что завтра в это же время она будет вон в той точке. Однако возьмем фотон, ударяющийся об оконное стекло. Мы никогда не сможем с уверенностью предсказать, как он себя поведет. Проскочит фотон или отразится — вопрос чистой, ничем не омраченной случайности, его взаимоотношения со стеклом определяются исключительно капризами шансов.

Случайность такого рода вовсе не похожа на случайность при броске игральных костей или вращении колеса рулетки. Она куда более фундаментальна и куда более… зловеща. Если бы мы знали все мириады сил, воздействующих на игральные кости, то любой физик, который обладает мощным компьютером и которому не занимать настойчивости и терпения, мог бы предсказать результат, основываясь просто-напросто на законах механики Ньютона. Проблема в том, что на траекторию движения костей воздействует слишком много факторов — импульс, сообщенный игроком, потоки воздуха в окружающем пространстве, шероховатости стола и так далее. Никто не в состоянии учесть все эти факторы, чтобы точно предсказать результат броска костей.

Однако вот в чем мы должны отдавать себе отчет: наше незнание всех факторов, воздействующих на вращение костей, — всего лишь вопрос практики. Нет ничего невероятного в том, что когда-нибудь в будущем некий упорный человек (понятно, что он должен будет располагать немалым временем) сумеет с требуемой точностью определить все силы, воздействующие на кости. Штука в том, что исход броска костей не непредсказуем по существу. Он непредсказуем лишь на практике.

Вернемся к нашему фотону. Как он поведет себя, столкнувшись с оконным стеклом, предсказать абсолютно невозможно — и не только на практике, но в принципе. Причем совершенно не важно, знаем мы или не знаем все факторы, воздействующие на его поведение. Тут просто нет факторов, которых мы можем не знать. Фотон проходит сквозь оконное стекло или отскакивает от него исключительно в силу собственной извращенности — без всякой на то причины.

В нашей повседневной жизни каждое событие порождается каким-либо другим событием. Следствию всегда предшествует причина. Число, выпавшее на игральных костях, — результат воздействия множества сил. Вы идете по улице и вдруг спотыкаетесь, потому что одна из плиток, которыми вымощен тротуар, расшаталась и ваша подошва задела за выступ. Однако тому, что происходит с фотоном при встрече с окном, не предшествуют никакие события. Это следствие без причины. Вероятность выпадения «шестерки» на игральной кости может быть определена в принципе, но с фотоном все иначе: вообще нет никакого события, из которого может быть выведена вероятность его прохождения сквозь стекло, тут не существует никакого скрытого механизма, жужжащего под оболочкой реальности. Это фундаментальная основа природы, ее нижний этаж. Глубже ничего нет. По какой-то таинственной причине Вселенная просто так устроена [10].