Нильс Бор и загадочная квантовая механика

Судя по рассказам окружающих и близких, датчанин Нильс Бор с юности сильно отличался от своих соотечественников, известных веселым и даже шутливым нравом. Атлетически сложенный, спокойный, молчаливый и блестяще образованный молодой теоретик (можно только отметить, что его образование было несколько беспорядочным) всегда выделялся уравновешенностью и страстью к порядку, что касалось даже его семейных отношений (после свадьбы молодая супруга стала переписывать статьи мужа, чем ранее занималась его мать). Возможно, характер Бора станет понятнее читателю, когда он узнает, что из всех методов изучения английского языка Нильс выбрал, по-видимому, один из самых сложных — чтение романов Чарльза Диккенса в оригинале.

В зрелом возрасте он стал находить нечто занимательное и даже забавность в своих исследованиях и открытиях, а ему посчастливилось открыть целый мир квантовых, субатомных частиц и связанных с ними виртуальных явлений, управляемых непривычными нам законами. В отличие от знакомых нам материальных точек, подчиняющихся законам Ньютона, объекты квантовой механики напоминают скорее липкие шарики, которые могут раздуваться или сжиматься, они не подчиняются законам тяготения и способны даже одновременно находиться в двух разных точках пространства.

Таинственные и пугающие названия (квантовая физика, субатомные частицы) продолжают использоваться, так как пока никому не удалось создать сколь-нибудь понятную концепцию поведения вещества на этом уровне. Дело обстоит именно так — никто не понимает и даже не претендует на понимание законов квантовой механики. В отличие от теории относительности, которая имеет ясный, но концептуально сложный характер, законы квантовой механики являются очень простыми по форме и способам использования, но описываемый ими мир выглядит забавным и странным, а иногда даже пугающим.

Нильс Бор

Субатомными называют частицы, входящие в состав атома или участвующие в атомных взаимодействиях (электроны, протоны, нейтроны и многочисленные иные частицы), а определение «квантовый» родилось естественным образом, отражая основную особенность поведения таких частиц. Квантовая теория возникла из работ знаменитого Макса Планка, который в 1900 г. обнаружил, что свет и другие формы лучистой энергии представляют собой вовсе не волны, а поток крошечных дискретных порций энергии, называемых квантами. На основе этой гипотезы Планку удалось решить одну из самых сложных и запутанных задач классической физики, а именно спектр излучения так называемого «абсолютно черного тела». Этот придуманный физиками теоретический объект отличается тем, что поглощает полностью все попадающее на него излучение (кстати, не следует думать, что объект действительно является чем-то абстрактным, поскольку обычная сажа, например, поглощает примерно 98% любого излучения). Дело заключалось в том, что весь создаваемый десятилетиями аппарат теоретической физики не мог объяснить и описать спектр излучения «черного тела». Планку неожиданно удалось получить совершенно точное решение задачи благодаря тому, что он просто ввел некоторые дискретные значения частоты и энергии вместо полагаю щихся непрерывных величин. Позднее Планк сам не мог рационально объяснить ход своих рассуждений, поскольку он просто пытался найти математический прием, позволяющий решить конкретную задачу и получить совершенно точно известную кривую распределения интенсивности, однако найденный им подход обозначил огромный сдвиг в научном и философском познании мира. После этого свет перестал считаться непрерывным излучением и превратился в поток частиц-дробинок (которые позднее Эйнштейн назвал фотонами), а теплота стала ассоциироваться с дискретным излучением атомов при переходе с одного энергетического уровня на другой.

Квантовая физика стала настолько невероятным вызовом здравому смыслу, что сам Планк начал относиться к ней несколько настороженно и недоверчиво. В этой науке факты и постулаты упрямо отказываются отвечать на главные и излюбленные вопросы естествоиспытателей и философов: «Почему? Зачем? Как?». Ее законы позволяют не объяснить, а, скорее, достаточно точно описать ход событий в микромире, которые, однако, вообще не укладываются в сколь-нибудь понятную нам схему или в другую, более понятнутную комбинацию законов.

Одним из самых распространенных терминов новой науки стал «квантовый скачок», вызывающий у обычного человека некую ассоциацию с «Большим Скачком» в лозунгах председателя Мао. Понятие возникло в результате важнейшего открытия Нильса Бора, и на его примере можно наглядно продемонстрировать отличие квантово-механических представлений от привычных нам ньютоновских. Для лучшего понимания следует вспомнить историю ядерной физики. Примерно сто лет назад, в 1911 году Эрнест Резерфорд сделал сенсационное открытие и показал, что все кажущиеся нам твердыми объекты фактически состоят из ... пустого пространства (это относится и лично к вам, читатель!). Человеческое тело содержит около 30 триллионов клеток, в состав каждой из которых, в свою очередь, входят примерно 90 триллионов атомов. Так вот, результаты опытов Резерфорда убедительно и однозначно продемонстрировали, что каждый атом состоит из очень маленького ядра или центра, в котором, однако, сосредоточена практически вся его масса, и совершенно крошечных электронов (с массой лишь около 0,002 от массы протонов и нейтронов, составляющих ядро), причем эти электроны вращаются на огромных расстояниях (естественно, в ядерных масштабах). Если бы ядро было достаточно большим (например, имело вид шарика с диаметром 0,5 см), то электроны вращались бы вокруг этого шарика на расстоянии в 700 метров, что соответствует примерно горошине в центре гигантского круга, площадью в несколько футбольных полей. Ядро, в котором заключена практически вся масса атома, занимает лишь одну миллионную долю его объема (поэтому, собственно говоря, любые описания атомов остаются приближенными или условными), но несет положительный электрический заряд, равный отрицательному заряду всех электронов вместе, в результате чего атом в целом остается электрически нейтральным.

На блестящих экспериментах и гипотезах Резерфорда основана вся современная атомная физика, но вначале отношение к ним оставалось довольно скептическим, прежде всего потому, что Резерфорд был скромным молодым практикантом, приехавшим в знаменитый Кембриджский университет из Новой Зеландии. Неудивительно, что именитые английские физики, полагавшие себя единственными и прямыми наследниками или хранителями великого теоретического наследия Исаака Ньютона (в Кембридже этих профессоров называли Старыми Быками, Old Bulls), отвергали идеи Резерфорда почти без обсуждения, поскольку эти идеи явно противоречили всем законам классической ньютоновской физики. Атом с предлагаемой Резерфордом структурой действительно не имел никакого права на существование в рамках старых представлений и должен был неизбежно распадаться или «сплющиваться», в то время как входящие в его состав вращающиеся электроны были обязаны непрерывно излучать энергию и «падать» на положительно заряженное, устойчивое и массивное ядро. В классической теории ни один электрон не мог удерживаться на орбите долго, и все атомы (а за ними и вся Вселенная) должны были очень быстро схлопнуться в крошечную по объему горстку ядер.

Однако через два года Нильс Бор пробил еще одну брешь в «крепостной стене» классической теоретической физики, применив к теории атома принципы эйнштейновской теории относительности, причем применив их самым решительным образом. В своих первых работах Эйнштейн рассматривал свет в качестве волн, но уже в 1905 году (следуя Планку) стал описывать видимый свет и любое другое электромагнитное излучение как поток дискретных частиц (кстати, работы Эйнштейна по теории относительности и квантовой механике были опубликованы почти одновре менно). Слово «квант» по-латыни означает порцию, небольшую часть чего-то, а Эйнштейн удачно предложил для крошечных порций светового потока термин «фотон», который быстро стал общеупотребительным.

Через два года после появления резерфордовской модели атома Нильс Бор выдвинул неожиданную и блестящую гипотезу, согласно которой электроны в атоме не падают на ядро по той простой причине, что они могут двигаться лишь по строго определенным правилам. Точно так же как кванты энергии отражают «разрывную», дискретную природу излучения, существование и движение электронов в модели Бора отражало «разрывную», дискретную природу строения самих атомов. В частности, модель предполагала, что электроны в атоме могут находиться лишь в некоторых, строго определенных энергетических состояниях, которым и соответствуют наблюдаемые и реально существующие стационарные электронные орбиты.

Гипотеза настолько противоречила представлениям классической физики, что сам Бор называл ее «сумасшедшей». Более того, существование в атоме выделенных орбит казалось противоречащим не только здравому смыслу, но и всему опыту человечества. Например, астрономы прекрасно знают, что Луна вполне может вращаться вокруг Земли по несколько иной орбите (кстати, так все и обстоит на самом деле, поскольку Луна постоянно отдаляется от Земли со скоростью около 3 сантиметров в год), а Земля вполне может сместиться в своем движении ближе к Солнцу и т. д. По гипотезе Бора движение электронов подчинялось совершенно иным законам, поскольку электрон мог совершать скачок (или квантовый переход), при котором он полностью «исчезает» на одной орбите и в то же мгновенье «возникает» на другой. Физики не понимали, как это вообще может происходить! Es muss sein! Как электрон может попадать из одной точки пространства в другую, минуя все остальные? Поведение электрона в модели Бора не соответствовало, строго говоря, даже тому смыслу, который обычно вкладывается в понятие «прыжок», поскольку его положение при переходе не определяется никакими координатами и связано с непонятными и странными для нашей логики закономерностями.

При переходе с орбиты на орбиту электрон излучает или поглощает энергию, что позволило Бору предсказать частоты спектральных линий для простейшего атома водорода и найти решение одной из важнейших задач, давно занимавшей ученых. Дело в том, что еще в начале XIX века физики и химики начали регистрировать спектральные линии и связывать их с определенными химическими элементами. На этой основе возникла обширная наука, названная спектрографией, которая широко использовалась для изучения химического состава земных и небесных объ ектов, несмотря на то, что никто из специалистов не понимал природу и механизм возникновения спектров различных веществ.

Квантовая механика позволила совершенно точно ответить на все вопросы спектрографии, как бы удовлетворяя извечную человеческую страсть к поиску объяснений. Из теории Бора непосредственно вытекали простые и ясные правила отбора по спектральным линиям: когда электрон исчезает или возникает (на низкоэнергетической или высокоэнергетической орбите), то он излучает или поглощает кванты, в результате чего в спектре соответствующего вещества и возникают, соответственно, темные и яркие линии. Атомы каждого химического элемента обладают строго заданными электронными структурами, что и позволяет спектрографам с высокой точностью идентифицировать химический состав вещества даже космических тел, благодаря регистрации квантовых скачков в электронных структурах образующих их элементов. Читатель легко может проверить последнее утверждение, заметив красноватый отблеск многих небесных объектов, что объясняется квантовыми переходами электронов между высшими и низшими орбитами в самом распространенном элементе Вселенной — водороде (при таких переходах излучаются кванты красной области видимого спектра).

При этом Бору не удалось дать оппонентам, конечно, никаких физических обоснований ни числу электронов, ни структуре их орбит. Он просто сумел гениально угадать некие общие закономерности и объяснить, почему и как наши приборы регистрируют некоторые реальные процессы, происходящие внутри атомов. Надо сразу подчеркнуть, что профессоров Кембриджа (тех самых упомянутых выше Старых Быков) теории Бора огорчили даже сильнее, чем эксперименты и гипотезы Резерфорда. Вспомните, что каждый из них, начиная в молодости заниматься наукой, постоянно мечтал найти какие-то разумные, «взрослые» ответы на свои «детские» вопросы. Психологически эти люди ждали от науки четких и понятных объяснений наблюдаемых физических явлений, т. е. хотели выявить некую логику в законах природы. Идеи Бора казались им не только непонятными, но и нелогичными. Какое-то время в модели Бора оставались нерешенными некоторые сложные математические задачи, однако их решением с энтузиазмом занялись многие молодые талантливые физики, которым довольно быстро удалось создать стройную и серьезную теорию, ставшую фундаментом принципиально новой науки.

Обнаружилось, что для описания любого атома в модели Бора необходимо вычислить или задать четыре главных параметра для каждого электрона, а именно: размер электронной орбиты, ее форму (обычно она по хожа на эллипс, а не на окружность) и направленность, а также спин электрона (некое собственное вращение, осуществляемое по часовой стрелке или в обратном направлении). Каждому из указанных параметров соответствует особое квантовое число, набор которых и определяет конкретное энергетическое состояние электрона. Основное правило для атомных систем (физики называют его «принципом исключения») гласит, что каждой орбите, т. е. стационарному состоянию электрона, может соответствовать лишь один-единственный набор значений описанных выше квантовых чисел. Орбиты заполняются, начиная с более низкоэнергетических, а любой другой свободный электрон может занять в атоме лишь следующую орбиту с более высокой энергией.

Трудом и талантом многих физиков-теоретиков удалось довольно быстро построить так называемую квантово-механическую модель атома, в которой последний похож не на футбольный мяч, а скорее на почти пустой, пульсирующий шарик энергии, способный к неожиданным и энергичным изменениям. Затем очень быстро удалось получить множество блестящих теоретических и экспериментальных результатов, подтверждающих новую модель. Наиболее важным из них оказалась прямая регистрация протона в 1919 г. и нейтрона в 1932 г. Сегодня можно только удивляться тому, как легко множество молодых ученых решительно и даже безрассудно забросили свои предыдущие увлечения и занялись сложнейшими математическими задачами новой науки. Конечно, исследования возглавлял сам Нильс Бор (он и вошел в историю в качестве «отца квантовой механики»), учениками которого было почти целое поколение блестящих ученых, поверивших в новую науку, хотя и постоянно ссорившихся друг с другом относительно ее частных приложений и общефилософских обоснований. Это было временем увлекательной и плодотворнейшей работы будущих великих ученых, из которых следует выделить Гейзенберга (известного дамского угодника), Шрёдингера (заядлого альпиниста и путешественника) и самого Бора (любителя футбола, который иногда впадал в глубокие размышления именно в разгаре игры и переставал следить за мячом).

Разумеется, научное сообщество встречало новые открытия весьма скептически. Например, кто-то из Старых Быков ехидно говорил, что «квантовая механика — всего лишь жалкая попытка изобразить понимание процессов», на что Бор осторожно отвечал репликой, что его утверждения «представляют собой скорее вопросы или предположения, а не строгие утверждения». Сторонником и активным участником исследований и дискуссий был Эйнштейн, который позднее назвал теоретические построения Бора проявлением «высшей музыкальности творческой мысли».

Напомним, что квантовая физика сразу и практически без объяснений делит мир на две части — макрокосм (объекты крупнее атома) и микрокосм (субатомные частицы). Кажущаяся хаотичной квантовая механика на самом деле достаточно точно описывает поведение атомов и более мелких частиц вещества. С другой стороны, классическая физика и теория относительности в соответствии со своими собственными законами позволяют описывать более крупные объекты (от атома до далеких галактик, квазаров и черных дыр), вследствие чего большинству физиков казалось просто непонятным, почему квантовая физика неприменима для рассмотрения объектов и явлений всего окружающего нас мира. Впрочем, однажды девятилетний сын моего приятеля, случайно присутствовавший при разговоре о квантовой механике, вдруг уверенно заявил мне, что идея Бора о стационарных состояниях весьма разумна и проста (мальчик сказал: «...ведь это похоже на скоростной лифт, который останавливается лишь на определенных этажах»).

В 1925 г. молодому ученику Бора Вернеру Гейзенбергу исполнилось только 23 года, но ему уже удалось получить строгое обоснование концепции квантовых скачков между фиксированными атомными орбитами. Разработанный им математический аппарат являл собой сложную систему алгебраических уравнений (это, впрочем, мало пугало теоретиков, привыкших после Эйнштейна к головокружительным логическим построениям), однако проблема состояла в том, что уравнения Гейзенберга позволяли осуществлять только точный расчет орбит электронов, но не позволяли создать хоть сколь-нибудь понятную, зримую модель протекающих процессов. Иными словами, они обеспечивали лишь математическое описание атома, не давая никакой наглядной «картинки».

Другой молодой теоретик, Эрвин Шрёдингер сумел найти еще более удивительное свидетельство «безумности квантового мира». Он просто стал применять к частицам математический аппарат теории волн и ... неожиданно тоже получил точные решения для электронных орбит. Разумеется, среди физиков-теоретиков немедленно начались ожесточенные споры о том, какое из предложенных описаний структуры атома (механика частиц Гейзенберга или волновая механика Шрёдингера) является правильным? Следует особо подчеркнуть, что в науке (как, впрочем, и во многих других областях деятельности, например в семейных отношениях и т. п.) наличие двух объяснений одного события всегда чревато крупны ми неприятностями, так что в квантовой физике сразу разгорелся нешуточный спор.

Казалось совершенно невероятным, что электроны можно описывать, пользуясь совершенно разными математическими аппаратами и разными типами уравнений, т. е. рассматривая их то в качестве частиц, то в качестве волн. Объект исследования должен был представлять собой (по крайней мере, в соответствии со здравым смыслом) либо то, либо другое. Читатель может представить себе частицы в виде маленьких, более или менее твердых шариков, способных отталкиваться (или как-то иначе взаимодействовать) друг с другом, что вполне согласуется с понятиями традиционной теоретической физики. В свою очередь, волны могут накладываться друг на друга, проходить друг через друга и усиливаться (или ослабляться) при взаимодействии, создавая более крупные (или, соответственно, мелкие) волны, причем такое поведение тоже прекрасно укладывалось в рамки традиционной физики, хотя и относилось к совершенно иному классу явлений и объектов. Проблема заключалась в том, что эти два описания нельзя было использовать одновременно для одного объекта.

Бурные разногласия в среде теоретиков кончились в 1926 г., когда Макс Борн нашел решение проблемы, которое используется до настоящего времени и сводится к тому, что ... никакого ответа на поставленный выше вопрос не существует в принципе! Борн показал, что некорректной является сама постановка задачи о состоянии электрона, поскольку, строго говоря, мы можем говорить лишь о вероятности такого состояния или о возможности его реализации. Волна в уравнении Шрёдингера относится не к физически существующему объекту (типа привычных радиоволн или света), а к некоторому абстрактному понятию, а именно — к вероятности нахождения электрона в заданной точке пространства.

Еще дальше в исследовании загадочного поведения квантовых объектов продвинулся Гейзенберг, которому удалось обнаружить в проблеме (вол-на/частица) совершенно неожиданный поворот мысли и придать этой дуальности новый физический смысл. Рассмотрим подробнее процесс взаимодействия светового кванта (фотона) с веществом и вспомним, что способность видеть основана на регистрации фотонов, излучаемых объектом или отраженных от него (например, ночная тьма наступает после захода Солнца, когда линия горизонта прерывает поток солнечного света). Гей зенберг продемонстрировал, что эта ситуация выглядит иначе при освещении фотоном какой-либо субатомной частицы. Действительно, давайте представим себе крошечный фотон (математики называют такие сверхмалые объекты бесконечно малыми), сталкивающийся с отдельным (таким же бесконечно малым) электроном. Конечно, отраженный фотон приносит нам «информацию» о местоположении электрона, но совершенно ясно, что соударение одновременно изменяет это положение из-за самого процесса столкновения, так что получаемая нами информация является недостоверной и фактически говорит лишь о положении электрона до столкновения, а не в текущий момент времени. Читатель может легко сообразить, что посылка следующего фотона (для уточнения информации) не исправляет положения, поскольку он тоже несколько сместит координату электрона и т. д. Кстати, эта ситуация не является выдуманной, а целиком и полностью соответствует условиям и ограничениям реальных экспериментов с квантовыми объектами. Например, длина волны видимого света слишком велика для точного определения координаты электрона, вследствие чего экспериментаторы для повышения точности вынуждены пользоваться электромагнитным излучением с более короткими волнами (например, рентгеновскими лучами), однако такие кванты несут больше энергии и, естественно, значительно сильнее смещают электроны с исходных позиций.

Таким образом, мы никогда не можем точно определить координаты конкретного электрона, а можем лишь указать его положение в момент измерения и приблизительно вычислить (исходя из массы и других параметров столкновения) вероятность его местоположения в некотором диапазоне в последующие моменты времени.

Гейзенберг получил ставшее знаменитым соотношение, связывающее неопределенности в вычислении координат электрона и его импульса, возникающие при любых попытках одновременного измерения этих параметров. Уравнение было названо принципом неопределенности и получило широкую известность и популярность во многих далеких от физики сферах деятельности (например, в поп-культуре), где этому принципу, разумеется, были даны совершенно произвольные и неожиданные толкования.

Введенная Гейзенбергом неопределенность имеет весьма необычный и произвольный характер, так что ее учет может показаться даже «занудством» для всех тех, кому хотелось бы верить в существование физического мира, управляемого строгими и незыблемыми законами, когда при достаточном умении и наличии соответствующей аппаратуры можно осуществлять любые необходимые измерения. В 1927 г. Гейзенберг показал, что обнаруженный им принцип в несколько необычном смысле по зволяет прояснить описанную выше запутанную ситуацию с определением координат электрона. Действительно, в соответствии с принципом неопределенности, мы не можем точно определить траекторию электрона, но вполне можем получить вероятность значений его координат в виде некоторой волновой функции. Иными словами, с математической точки зрения, в микромире электрон может быть эквивалентно описан и как волна, и как частица, т. е. проблема связана не с отсутствием достаточно точных методов детектирования микрочастицы, а с принципиальной неопределенностью того, что мы привыкли называть и считать «реальностью».

Из сказанного следует, что электрон имеет дуальную природу, поскольку может выступать в качестве волны, частицы или даже комбинации этих представлений. Почему? Да просто потому, что он способен вести себя по-разному! Вот уже несколько десятков лет физикам приходится удовлетворяться этим ответом, хотя очень многим из них он представляется неубедительным и неточным (Эйнштейн, например, относился к этому ответу с почти нескрываемой неприязнью!). Читателю можно лишь напомнить, что теория относительности действительно весьма сложна и трудна для понимания, но обладает внутренней логикой, собственными строгими законами и позволяет предсказывать результаты экспериментальных наблюдений. Физиков особенно раздражало и сбивало с толку, что в построениях Гейзенберга поведение электрона становилось непредсказуемым.

Некоторое понимание ситуации возникло лишь после появления еще одной гипотезы Бора, согласно которой электрон проявляет волновые или корпускулярные свойства в зависимости от того, какой тип детектора и принцип регистрации (волновой или корпускулярный соответственно) использует экспериментатор для определения параметров движения. Для изучения квантовых частиц можно и нужно применять оба типа детекторов, но при интерпретации полученных данных следует всегда учитывать дуальную природу изучаемых объектов. Гипотеза Бора, получившая название принципа дополнительности, не снимала основного противоречия теории, заключающегося в том, что при измерении параметров атомной системы мы изменяем значения этих параметров, т. е. получаем не точные значения, а лишь некоторые наборы вероятностей или потенциальных возможностей параметров.

В этой связи нельзя не вспомнить одну из самых знаменитых дискуссий в истории науки вообще между Бором и Эйнштейном о принципиальной неопределенности поведения квантовых систем. Многим кажется, что ученые слишком увлекаются своей работой и порой забывают или не достаточно глубоко размышляют о человеческой душе и религиозных проблемах, но приводимый ниже отрывок из переписки двух великих физиков доказывает обратное.

Эйнштейн — Бору: Квантовая механика заслуживает самого глубокого уважения, но внутренний голос говорит мне, что она не является окончательным откровением. Эта теория содержит очень многое, но, похоже, мы не приближаемся к главному ответу. В любом случае, я не верю, что Бог играет в кости!

Бор — Эйнштейну: Не наше дело указывать Богу, как управлять миром!

Конечно, учет религиозных соображений и мотивов может лишь усложнить поиск научной истины (о чем и свидетельствует история Галилея, с которой начинается наша книга), однако процитированный диалог показывает, что ученые, подобно всем остальным людям, страстно жаждут найти смысл в кажущейся хаотичной сумятице повседневной жизни. Это обстоятельство во многом определяет непреходящий интерес к квантово-механическим парадоксам, поскольку никого не может оставить равнодушным следующая проблема: если миром управляют случайности, то совершенно непонятно, что скрывается за столь важными для нас понятиями, как смысл, значение, цель и т. д. Еще более показательна в этом смысле следующая фраза Эйнштейна: «Наука без религии — неполноценна, религия без науки — слепа». Разумеется, это не означает, что мы должны обратиться в религиозных ортодоксов и уподобиться известному теологу Карлу Эверетту, который считает, что динозавры никогда не существовали, поскольку о них не упоминает Библия.

Конечно, известна философская позиция, прекрасно выраженная поэтом Арчибальдом МакЛейшем: «Стихотворение должно просто существовать, а не выражать какие-то конкретные мысли и мнения!», хотя следует особо подчеркнуть, что для большинства религиозных и метафизических систем окружающий нас мир не просто «существует», но и «означает» что-то очень важное. Квантовая физика заставляет нас еще раз задуматься над этими важнейшими вопросами смысла человеческого существования.

В микромире можно наблюдать много других удивительных эффектов (электрон может одновременно находиться в двух разных точках, протон может проходить через потенциальный энергетический барьер и т. д.). Одно из самых странных предсказываемых явлений заключается в теоретической возможности непосредственного «общения» квантовых частиц на любых расстояниях, причем со скоростью, существенно превышающей скорость света (возможно, даже с бесконечной). Мы не знаем и не можем представить себе, о чем могут переговариваться элементарные частицы (возможно, они просто сообщают друг другу «сверни направо... меняй курс ...измени направление спина»), однако сама возможность передачи информации со сверхсветовой скоростью заставляет задуматься о совершенно неизвестных нам физических законах и ограничениях. Электрон может не только выступать в качестве волны или частицы, но и даже выбирать форму своего существования. С другой стороны, он фактически как бы и не существует до того момента, пока мы не зарегистрировали его каким-то образом (например, прибором или следом в пластинке слюды). Некоторые физики даже считают, что конкретно воспринимаемый нами мир существует именно в результате нашего восприятия, т. е. могут существовать и множество других миров или реальностей, но все они исчезают в момент нашего восприятия одного конкретного мира.

Проблема заключается не в том, что мы не можем найти разумные ответы на столь важные вопросы, а в возможном отсутствии таких ответов вообще. Разница в характере стоящих перед нами двух типов тайн и неизвестностей настолько существенна, что мне хочется рассмотреть ее отдельно. Действительно, мы часто сталкиваемся с двумя принципиально разными типами задач. Например, астрономы давно бьются над загадкой того, что яркость полной Луны почему-то примерно в 10 раз превышает яркость полумесяца. У них есть несколько теорий на этот счет, однако практически никто из ученых не сомневается (и это имеет принципиальное значение для обсуждаемого вопроса), что какое-то физическое объяснение этого странного эффекта существует и рано или поздно будет найдено. Такие загадки очень распространены не только в науке, но и в обычной жизни (я, например, не знаю точно, почему метеорологи обычно присваивают ураганам и штормам красивые женские имена, но уверен, что какое-то разумное объяснение этой закономерности существует). В отличие от таких «принципиально разрешимых» загадок, квантовая механика предлагает нам задачи с принципиально неоднозначными решениями, вследствие чего мы не можем больше полагаться даже на прямые измерения, наблюдения или факты, поскольку все вокруг нас содержит «кванты неопределенности».

Восприятие и осознание этой ситуации подвергает серьезному испытанию разум и чувства многих исследователей. Квантовая физика утверждает, что окружающая нас Вселенная иррациональна и представляет собой набор неопределенностей и потенциальных вероятностей, а вовсе не материальные объекты, подчиняющиеся сгрогим и постоянным законам. Гейзенберг установил, что мы не можем точно измерить координату и импульс частицы, но квантовая реальность оказалась значительно сложнее для восприятия, так как две эти величины одновременно не могут иметь точных значений в принципе (независимо от того, измеряет ли кто-то эти значения или нет) и это сбивает с толку любого физика. Вообще говоря, невозможно представить себе, что целая Вселенная, построенная из микрочастиц-кирпичиков с иррациональным поведением, может развиваться в соответствии хоть с каким-либо божественным или своим собственным предназначением. С другой стороны, отсутствие какого-либо общего плана означает невозможность детерминированных действий и поступков, поскольку в такой модели судьбы Вселенной на всех уровнях (галактики, планеты, белковые молекулы или отдельные нейроны в нервной системе человека) определяются лишь случайными сочетаниями и коллапсами волновых функций.

Идея о недетерминированности последствий физических актов или наших поступков имеет огромное значение для науки, философии и метафизики, независимо от возможных дополнительных толкований или замечаний. Новые идеи и модная терминология сумели «заразить» даже некоторые сферы литературы и поведения, не говоря уже о досужих вымыслах не очень умных популяризаторов науки. Собственно говоря, принцип дополнительности не имеет особого значения для нормальной человеческой жизни (не считая каких-то искусственных ситуаций, когда человек, например, пытается создать себе алиби или устроить глупый розыгрыш). Открытая Гейзенбергом квантовая неопределенность, о которой шла речь, относится к разряду «внутреннего распорядка физики» и описывает только поведение микроскопических объектов.

Существует известный эксперимент с рассеянием фотонов на двух параллельных щелях (он почти всегда входит в практикум студентов-физиков старших курсов), который используют для демонстрации волновых свойств света, поскольку рассеянные фотоны образуют интерференционную картину, характерную для любых волновых процессов. Дело в том, что при интерференции волн происходит их взаимное усиление или ослабление, создающее светлые и темные полосы на экране (именуемые на физическом языке отрицательным или положительным наложением), так что этот эксперимент совершенно ясен и понятен.

Однако обычно бедным студентам-физикам тут же демонстрируют еще один, очень похожий эксперимент, который представляется совершенно не понятным и ненаглядным. Пропуская единичные фотоны (т. е. заведомые частицы) через одну-единственную щель, студент естественно ожидает получить картину рассеяния разрозненных частиц, но вместо этого неожиданно вновь видит интерференционную картину! Электроны как бы «знают», что они являются в действительности волнами, и, соответственно, «выбирают» нужные траектории, соответствующие их волновой природе. В некотором смысле это означает также, что при рассеянии на двух щелях электроны одновременно проходят через обе щели.

Кошки относятся к самым популярным домашним животным, так что в любом книжном магазине США читатель всегда найдет целую кучу разных книг, посвященных этим прекрасным животным и их различным особенностям и привычкам. Возможно, именно поэтому один из самых известных мысленных экспериментов в квантовой механике, обсуждению которого уже посвящены сотни статей и несколько серьезных книг, связан именно с кошкой (что, разумеется, никак не должно обижать любителей собак). Когда-то Шрёдингер придумал некоторый эксперимент в качестве шутки, но его идея оказалась чрезвычайно интересной и привлекательной для обсуждения, в результате чего она не только сохранилась в истории физики, но и до сих пор привлекает внимание серьезных специалистов-физиков и любителей-философов, пытающихся понять квантово-механические парадоксы.

Все дело началось с того, что Шрёдингеру очень не нравились многие положения квантовой механики (включая его собственные открытия и их интерпретацию!) и ему показалось странным, что большинство коллег действительно начинают верить в существование некоей квантовой реальности, описываемой только наборами вероятностей положений и событий. Поэтому он придумал следующий мысленный эксперимент: живой кот помещается в изолированный закрытый ящик, где находятся также ампула со смертельным ядом (например, с цианистым калием), источник радиоактивного излучения и счетчик Гейгера, регистрирующий это излучение. Как только в счетчик попадает частица, срабатывает связанный со счетчиком механический молоточек, который разбивает ампулу с ядом и превращает ящик в «газовую камеру» для несчастного кота. Представляется очевидным, что в привычном нам макромире (в мире ньютоновских законов и падающих на голову по этим законам яблок) кот обречен на быструю и смерть. Демонстрируя коллегам абсурдность и переусложненность вероятностной трактовки квантовой механики, Шрёдингер предложил им рассмотреть судьбу кота, исходя из простого предположения, что вероятность радиоактивного распада составляет 50% в час (иными словами, вероятность обнаружить живого кота через час составляет 50%, через два часа — 25% и т. д.). Шрёдингер настойчиво обращал внимание коллег на то, что по квантовым вероятностям (т. е. в соответствии с правилами сложения волновых функций) вплоть до момента открытия ящика бедную киску следует учитывать в уравнениях как некую комбинацию живого и мертвого кота ( 50% живого + 50% мертвого и т.д.), хотя реальный кот, конечно, может находиться только в одном из этих весьма разных состояний.

Существование такой комбинации представляется нелепым всем (включая, разумеется, и самого кота), и Шрёдингеру казалось, что идея эксперимента наглядно демонстрирует ограниченность квантовой механики и нелепость ее последовательной, чисто вероятностной трактовки, Не тут-то было! Никому не нужный в макромире абстрактный котик вдруг оказался предметом острейших дискуссий. Многие физики стали воспринимать его судьбу в качестве еще одной иллюстрации непостижимости и таинственности квантового мира. Первоначальный замысел мысленного эксперимента и его идея оказались буквально сметены критикой, и стало считаться, что кот действительно может считаться формально живым или мертвым лишь после вскрытия ящика. До этого (подобно всем обитателям квантового мира) он должен находиться, пользуясь религиозной терминологией, в некотором квантовом «чистилище» и не может быть причислен ни к живым, ни к мертвым. Шутка Шрёдингера не удалась и сама сыграла злую шутку со своим автором.

Мало кто из нас согласился бы жить в «беззаконной» Вселенной, где нет определенных правил поведения и события чередуются совершенно случайно, подобно игре в рулетку. Рассказывают, что один из физиков даже покончил с собой, не в силах вынести философское и нравственное бремя, которое, как ему казалось, приносило с собой развитие квантовой физики, отвергающей детерминированность законов природы и, как следствие, разумность и обоснованность человеческих поступков.

Подводя некоторые итоги, можно отметить, что в течение очень короткого времени (первой трети XX века) в мировой науке произошли грандиозные изменения, связанные с новыми, потрясающими результатами. Сперва

Хаббл показал, что кажущееся символом безмятежности ночное небо представляет собой в действительности бурлящую бездну из гигантских галактик, разбегающихся в разные стороны, затем Эйнштейн обнаружил совершенно невероятные свойства пространства-времени, а затем Бор и его команда доказали, что в основе мироздания лежит скорее случайность, чем определенность.

Сегодня мы смотрим в будущее с некоторым облегчением и оптимизмом, возможно, из-за того, что новые понятия стали ближе и привычнее, а квантовые устройства и идеи уже широко используются в различных областях науки и техники. Ученые всерьез задумываются о возможности создания вычислительных устройств, в которых перенос и обработка информации будут связаны не с электронами (как в обычных транзисторах и микрочипах), а с квантами, неделимыми порциями энергии, в результате чего компьютер можно будет создать даже на основе одного-единст-венного атома. В последние годы появились даже совершенно фантастические научные публикации и направления, типа «квантового психоанализа» (автор должен сразу сознаться, что даже не представляет, чему посвящены эти работы!). В пятой главе, где рассказывается о теориях рождения Вселенной, для описания исходной космической среды используется образ «квантовой пены», состоящей из крошечных пузырьков пространства-времени, размеры которых в миллионы триллионов раз (!) меньше атомных ядер. Каждый из таких пузырьков порождает или способен породить огромную сверкающую Вселенную, о существовании который мы, возможно, никогда не сможем узнать.

Изучение квантовых законов меняет даже представления о человеческой жизни. После открытий в биологии и кибернетике мы уже почти свыклись с мыслью, что наш мозг, в сущности, представляет собой био-органический компьютер, работающий с использованием некоторых электрохимических реакций и осуществляющий достаточно быструю обработку информации. Именно этот биокомпыотер позволяет обеспечить точность нашего восприятия, позволяет избегать опасностей, плакать от восхищения, решительно действовать или, наоборот, совершать самоубийство в определенных обстоятельствах и т. п. При этом обычно его работа и процессы переключения происходят автоматически и быстрее, чем сам человек может осознавать и оценивать свое поведение или отдельные поступки.

Квантовая механика показывает, что процессы переключения в наших «внутренних» биокомпьютерах осуществляются на том физическом уровне, где происходят причудливые, неточные и непредсказуемые квантовые взаимодействия. Остается непонятным, каким образом на основе огромного числа квантовых неопределенностей в элементах структуры нашего мозга могут вообще происходить устойчивые мыслительные процессы, управляющие длительными и осознанными поступками человека и его целенаправленным поведением. Такие вопросы заставляют нас еще раз гораздо серьезнее задуматься над смыслом своего существования, определением понятия собственного «Я», проблемой свободы волеизъявления и самой нашей способностью планировать и осуществлять целенаправленные и последовательные действия. Непонятно, как мы должны относиться к собственным мыслям и эмоциям после осознания факта, что они, подобно островам или утесам, возвышаются над морем «квантовых» неопределенностей и вероятностей?

В будущем нам еще не раз придется задуматься о дуализме личности и тайнах человеческого сознания. Забегая вперед, упомянем странные квантово-механические соображения, которые использует известный профессор Роджер Пенроуз для объяснения индивидуального восприятия окружающего нас мира. Похоже, что физически воспринимаемые нами объекты существуют в привычных ньютоновских законах и ограничениях (поэтому, например, они не могут существовать одновременно в двух точках), но наши собственные мысли и переживания имеют квантовую природу и не подчиняются этим ограничениям.

Некоторые ученые на основе подобных рассуждений и теорий предлагают рассматривать человеческий мозг в качестве квантового измерительного устройства, созданного природой в процессе эволюции за миллионы лет именно для обеспечения связи классического макромира с квантовым микромиром. В этом случае наше сознание играет роль того самого гейзенберговского наблюдателя, который одним своим присутствием (т. е. каким-то «сенсорным» запросом) вызывает необходимый коллапс волновых функций, происходящий в некоторых физико-химических структурах нашей нервной системы. Известный специалист Г. Стапп пишет по этому поводу: «Сознание каждого отдельного человека может быть представлено в виде выборки из полного набора квантовомеханических событий в гейзенберговском представлении». Теоретики, естественно, продолжают ожесточенно спорить о механизме этого эффекта, поскольку некоторые из них считают коллапс волновых функций чисто случайным процессом, а другие предлагают различные варианты «правил отбора», заложенных в мозгу и позволяющих личности самой контролировать процесс. В настоящее время особое внимание ученых привлекают некоторые белковые образования в мозгу (так называемые микротрубки), структура которых, возможно, позволяет осуществлять трансформацию квантовых состояний в классические. Может оказаться, что именно такие процессы помогают нам ориентироваться в потоке событий и создавать то, что принято называть «человеческой жизнью», т. е. мыслить, принимать решения, анализировать события, мечтать и даже непрерывно развивать собственную индивидуальность.

При этом нам не стоит забывать о том, что мы живем в непрерывно меняющемся и подвижном мире: наша родная планета вращается вокруг Солнца со скоростью 36 километров в секунду, Солнечная система движется относительно черной дыры в центре Млечного Пути со скоростью 360 километров в секунду, а вся наша галактика стремится к Туманности Андромеды со скоростью 90 километров в секунду. Такие цифры вызывают у нормального человека неприятное ощущение головокружения и «излишней спешки», после чего он обычно с удовольствием вглядывается в привычные земные ландшафты с их величественными неподвижными горами, прочными скалами фиордов и древними океанами. К сожалению, как показано в следующей главе, и это ощущение покоя и незыблемости родной планеты является иллюзорным и обманчивым.

Глава 4

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >