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

Сказать, что неприятно обнаружить в самом сердце фундаментальной физической теории ящик Пандоры, из которого сыплются такие вопросы, значит не сказать ничего. Но, несмотря на все эти странности, квантовая физика достигла в описании мира огромных успехов, гораздо больших, чем добрая старая физика Ньютона (которая тоже была неплохой). Без квантовой физики мы не понимали бы, почему алмазы так тверды, из чего состоят атомы или как создавать электронные приборы. Выходит, что волновые функции с их значениями, рассеянными по всей Вселенной, должны-таки как-то связываться с тем миром, который мы видим вокруг себя каждый день. Если бы это было не так, квантовая физика не могла бы ничего предсказывать, а она делает это прекрасно. Но тогда «проблема измерения» становится еще серьезнее – она показывает, что в природе реальности есть что-то, чего мы не понимаем.

Так как же нам интерпретировать эту странную и чудесную теорию? Что за историю рассказывает нам о мире квантовая физика?

Вместо того чтобы отвечать на этот трудный вопрос, мы можем поступить иначе. Например, не признавать его законным. Заявить, что в квантовой физике имеет значение только одно: предсказание результатов измерений. Теперь нам незачем беспокоиться о том, что происходит, когда мы не занимаемся измерениями! Все трудные вопросы тут же испаряются. Что такое волновая функция? Как она связана с объектами окружающего мира? Под рукой простой и удобный ответ на этот вопрос: волновая функция – это всего лишь математический аппарат, бухгалтерский инструмент, который помогает нам предсказывать результаты измерений. С миром вокруг нас он никак не связан – это только полезный математический прием. Волновые функции ведут себя иначе, когда мы на них не смотрим? Это неважно – за пределами измерений ничто не имеет значения. В промежутке между измерениями даже говорить о существовании вещей ненаучно. Таков, как это ни странно, ортодоксальный подход в квантовой физике – «мягкая подушка» копенгагенской интерпретации.

Но эти подозрительно простые ответы заставляют задать еще один вопрос, на который очевидного ответа нет. Физика – наука о материальном мире. А квантовая теория претендует на роль раздела физики, описывающего самые фундаментальные составляющие этого мира. Но согласно копенгагенской интерпретации бессмысленно задавать вопросы о чем-либо, что описывает квантовая физика. Что же тогда есть реальность? Копенгагенский ответ на этот вопрос – это молчание. И строгий неодобрительный взгляд на того, кто имел дерзость такой вопрос задать.

Такой ответ можно в лучшем случае назвать глубоко неудовлетворительным. Но это стандартный ответ. Физики, которые тем не менее настаивали на своем вопросе, такие как Эйнштейн, а позже Белл и Бом, вступили в открытую конфронтацию с «копенгагенцами». И история поисков ими реальности – это в то же время история их мятежа, столь же давняя, как и история самой квантовой физики.

2

Прогнило что-то в Датском королевстве

На сцену выходит Вернер Гейзенберг. Двадцатичетырехлетний физик получил приглашение сделать доклад в Берлинском университете, главном физическом центре Германии, а может, и всего мира. Ему предстояло выступить с рассказом о своих удивительных новых идеях перед самим Эйнштейном.

«Так как мне никогда прежде не случалось предстать перед таким количеством знаменитостей, я позаботился о как можно более ясном изложении основных положений и математическом обосновании того, что тогда представлялось в высшей степени нетрадиционной теорией, – вспоминал Гейзенберг несколько десятилетий спустя. – По-видимому, мне удалось заинтересовать Эйнштейна – он пригласил меня прогуляться с ним до его дома, продолжив по пути обсуждение новых идей»[28].

Во время этой прогулки, случившейся весенним днем 1926 года, Эйнштейн с невинным видом расспрашивал Гейзенберга о его жизни и образовании, осторожно обходя любые упоминания о новой теории своего собеседника. Но чуть только они оказались в спокойной домашней обстановке, ловушка захлопнулась.

* * *

Предложенная Гейзенбергом «в высшей степени нетрадиционная теория» была грандиозным прорывом. Она обещала решить величайшую из современных научных проблем: объяснить природу квантового мира. Физики уже лет тридцать знали: в их теории что-то не так. Чтобы понять, что происходит в мире очень малых масштабов – мире атомов, были остро необходимы перемены. Но работать приходилось вслепую. Атомы слишком малы, чтобы увидеть их в обычный микроскоп, независимо от его увеличения. Длина волны видимого света в тысячи раз больше размера атома. Но при нагревании атомы излучают свет разных цветов, причем у каждого вида атомов набор цветов собственный – уникальный, как отпечатки пальцев. Когда в конце XIX – начале XX столетия физики научились распознавать эти отпечатки, они еще не понимали, как именно внутренняя структура атома порождает данные спектры. Но какие-то намеки на математическую регулярность в спектрах прослеживались. То и дело кому-то удавалось найти способ эту регулярность частично объяснить – и больше других в этом преуспел Нильс Бор.

В 1913 году, вдохновленный экспериментами физика Эрнеста Резерфорда, уроженца Новой Зеландии, Бор предложил «планетарную» модель строения атома: вокруг крохотного, но массивного ядра кружились по орбитам электроны. В модели Бора электрон мог находиться только на одной из определенного набора разрешенных орбит. Электроны никогда не могли оказаться между орбитами, но могли «перепрыгивать» с одной орбиты на другую. Каждая орбита соответствовала некоторой энергии, и, когда электроны совершали свои «прыжки», они излучали или поглощали количество света, равное изменению их энергии. Так и получались спектры, наблюдаемые в лаборатории. Эти дискретные энергетические скачки назывались квантами, от латинского слова «сколько», а новая наука о мире атомов стала именоваться квантовой физикой[29].

Модель Бора удивительно хорошо описывала простейший атом, атом водорода – настолько хорошо, что за свою идею Бор в 1922 году получил Нобелевскую премию. Сейчас, по прошествии времени, модель Бора кажется очень простой, но это только показывает, насколько глубоко его идея изменила прежнее представление об атомах и насколько прочно в сознание людей вошло новое представление о них. Сейчас при слове «атом» в мозгу тут же всплывает мультяшная картинка с шариками электронов, крутящимися вокруг ядра, и это почти всецело заслуга Бора. Его модель оказалась блестящим и оригинальным прозрением, вскрывшим природу вещей. Но при этом она была неполной, и Бор это хорошо понимал. Она оказалась полностью бессильной в предсказании спектров атомов, более сложных, чем водород, – даже гелия, самого простого атома после водорода. Да и для водорода модель Бора могла объяснить далеко не все: цвета водородного спектра она описывала, а вот относительную яркость этих цветов – уже нет. Она предсказывала появление единичных цветовых линий в тех случаях, когда в реальном спектре наблюдались их тесные пары или триплеты. Наконец, атомные спектры были чувствительны к внешним воздействиям, далеко не все из которых модель Бора могла учесть.