Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали - Скотт Бембенек

Давайте попытаемся понять все это глубже. Вместо того, чтобы выстреливать по щелям большим количеством электронов сразу, давайте выпустим один электрон за раз. Вначале мы заметим, что сразу после выпуска электрона он долетит до заднего экрана, и мы обнаружим его положение. Пока все хорошо. Однако, когда мы будем продолжать стрелять по щелям отдельными электронами, мы заметим кое-что довольно странное. В конце концов мы получим ту же самую интерференционную картину, которую мы увидели раньше, когда запускали много электронов. То есть не имеет значения, будем ли мы выпускать по несколько электронов или же всего один за раз – появляется та же самая интерференционная картина! Это означает, что один электрон – когда он сближается с двумя щелями – в конечном итоге интерферирует сам с собой.

Это кажется настолько странным, что мы решили провести последний эксперимент, чтобы дойти до сути вещей. У каждой щели мы располагаем детектор, который будет фиксировать электрон, проходящий мимо него. Несомненно, это прольет свет на странные результаты, которые мы получаем. Опять же, мы выстреливаем одним электроном за раз по щелям, снова и снова до того, когда мы сможем четко увидеть распределение на мониторе компьютера. В этот раз мы обнаруживаем, что интерференционная картина полностью исчезла, и вместо этого остается распределение положений электронов, которое мы ожидали изначально! То есть когда мы не смотрим на щели (с помощью наших детекторов), один электрон претерпевает интерференцию, но когда мы смотрим, то обнаруживаем, что электрон проходит либо только через одну щель, либо только через другую, и интерференционная картина полностью исчезает.

Эти опыты иллюстрируют саму сущность квантовой механики. Мы видим, что электрон ведет себя как частица, когда он ударяет по заднему экрану и фиксируется детектором как локализованный объект, но где-то до фиксации возникает интерференция вследствие его волновой природы и его «взаимодействия» с двумя щелями одновременно. Эта волновая природа тесно связана с квантовой вероятностью нахождения электрона в определенном положении на заднем экране, что в конечном счете приводит к распределению ударов, которое мы наблюдаем. Если мы попытаемся точно определить, где электрон приземлится на заднем экране, попробовав посмотреть, через какую из щелей он проходит, все пойдет не так, и интерференция исчезнет совсем.

Хотя мы выбрали для нашего опыта электроны, такое таинственное поведение демонстрируют все квантовые частицы. Если все это вам кажется больше научной фантастикой, чем настоящей наукой, вы не одиноки. Физические следствия квантовой механики, говоря по-простому, по сравнению с нашим повседневным опытом выглядят явно странно.

Квантовая теория и ее преемница квантовая механика встряхнули сами основы нашего понимания физического мира, в котором мы живем. Энергия, свет, атомы и вещество – все эти главные действующие лица стали предметом пристального внимания. До предела были доведены даже сами понятия, которые мы используем для описания некоторых из них, например «волна» или «частица», и это заставило нас принять существование корпускулярно-волнового дуализма для всех квантовых сущностей (электрона, света и им подобных). Как будто всего этого было недостаточно, от самого детерминизма, который всегда был частью классической физики, теперь пришлось отказаться в пользу неопределенности и всеобъемлющей квантовой вероятности. Эти последние понятия часто приводят к величайшей путанице.

Принцип неопределенности Гейзенберга определяет строгое физическое ограничение (налагаемое самой природой) на то, сколько мы можем знать об определенных парах величин, например о координате электрона и составляющей импульса, направленной вдоль той же оси, от которой отсчитывается данная координата. Другими словами, более совершенные измерительные приборы никогда не устранят эту неотъемлемую неопределенность и не углубят наши знания. Это также означает, что квантовая частица, подобная электрону, просто не обладает хорошо определенной траекторией, вдоль которой она двигалась бы. Вместо этого она «перемещается» между квантовыми состояниями согласно квантовой вероятности, с которой связана волновая функция Шрёдингера. Атом Бора с его «перескакивающими электронами» – хоть там всего этого и нет – иллюстрирует такое «движение» очень хорошо, к великому разочарованию Шрёдингера.

Хотя квантовая вероятность напоминает классические вероятности Максвелла и Больцмана, они далеки от истины. Их вводили намеренно, чтобы облегчить бремя сложной математики, и они по-прежнему сохраняют основополагающий детерминизм, столь дорогой для классической физики. В противоположность этому, квантовая вероятность является решительным вызовом природы против детерминизма вообще. В самом деле, безрассудный отказ от хорошо отлаженной «мировой машины» в пользу «игры случая», несомненно, создает величайшую проблему для мировосприятия. Тем не менее, по общепризнанному мнению, квантовая механика, со всей ее «таинственностью» и вероятностным подтекстом, выдержала проверку временем.

Энергия, энтропия, атомы и квантовая механика образуют твердый фундамент, на котором сегодня стоит значительная часть науки. Вот почему я сделал их главными темами этой книги. Моей целью было рассказать вам о текущем положении дел в науке и о ее захватывающей предыстории. В этом рассказе мы познакомились с богатой историей и узнали больше о реальных ученых, боровшихся и с профессиональными, и с личными проблемами, чтобы внести смысл и ясность во многие важные вопросы, касающиеся Вселенной, в которой мы живем. Делая это, каждый из них опирался на работу и энтузиазм остальных, чтобы узнать «нечто абсолютное» (как сказал Планк). Именно так наука развивалась как целое – и продолжит двигаться вперед. Мы обсудили главных исследователей, но были и многие другие, которые на протяжении многих лет что-то добавляли, и много и мало, к нашему пониманию в целом. Я сожалею только, что не смог рассказать о них подробно, но я благодарен им за их усилия и жертвы. Области науки, которыми я страстно увлечен, химия и физика, продолжают делать огромные шаги вперед. Позвольте мне показать вам лишь несколько достижений.

В 1917 году Эйнштейн уже выразил «беспокойство», связанное с квантовой механикой и внутренне присущей ей вероятностной природой. Тем не менее он продолжал делать существенный вклад в науку, и его последним значительным усилием стали три статьи, посвященные идеальному квантовому газу и написанные в 1924–1925 годах. В течение последних тридцати лет жизни Эйнштейна его научная деятельность была сосредоточена на поисках единой теории поля. Разумно предположить, что в тот переломный момент в 1917 году он уже думал об этих поисках и к 1920-м годам сконцентрировался на них.

Первой и наиболее важной для него была попытка объединить гравитацию (описываемую его же собственной общей теорией относительности) и электромагнетизм (описываемый уравнениями Максвелла).

Более того, он хотел, чтобы известные физике частицы были выведены как частные решения окончательных уравнений той теории. Наконец, что немаловажно, Эйнштейн требовал, чтобы такая теория была полностью причинной. Другими словами, новая теория должна была объяснять (вдобавок к другим вещам) всю ту квантовую механику, которую так успешно смогли объяснить до нее, но уже без необходимости в квантовой вероятности.