Потрясение № 1 – пустое пространство
Давайте начнем с того, что известно большинству. Одну из первых трещин в прочной конструкции ньютоновской физики сделало следующее открытие: атомы – эти твердые стандартные блоки физической Вселенной! – состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если увеличить ядро атома водорода до размера баскетбольного мяча, то единственный вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии в тридцать километров, а между ядром и электроном – ничего. Так что, глядя вокруг, помните: реальность – это мельчайшие точечки материи, окруженные пустотой.
Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» на самом деле не пуста: она содержит колоссальное количество невероятно мощной энергии. Мы знаем, что энергия становится все плотнее по мере перехода на более низкий уровень материи (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Сейчас ученые говорят, что в одном кубическом сантиметре пустого пространства больше энергии, чем во всей материи известной Вселенной. Хотя ученые не смогли измерить ее, они видят результаты действия этого моря энергии
[4].
Потрясение № 2 – частица, волна или волночастица?
Мало того, что атом почти сплошь состоит из «пространства» – когда ученые более глубоко исследовали его, обнаружили, что субатомные (составляющие атом) частицы также не сплошные. И, похоже, они имеют двойственную природу. В зависимости от того, как мы их наблюдаем, они могут вести себя или как твердые микротела, или как волны.
Частицы – это отдельные твердые объекты, занимающие определенное положение в пространстве. А волны не имеют «тела», они не локализованы и распространяются в пространстве (вспомните волны на море).
В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного местоположения, но существует как «поле вероятностей». В состоянии частицы поле вероятностей «схлопывается» (коллапсирует) в твердый объект. Его координаты в четырехмерном пространстве-времени уже можно определить.
У меня квантовая теория вызывает неуверенность и головокружение. Она описывает микромир так, что он представляется чем-то сверхъестественным, волшебным. Так я смотрел на окружающее в детстве. И что теперь можно сказать обо мне – том мальчишке, мечтателе и фантазере? Я что, бредил? Возможно. Но вот вопрос: где проходит грань между квантовым микромиром и «нашим» миром макрообъектов? Если я состою из субатомных частиц, которые способны творить волшебство… Может быть, я тоже способен на нечто подобное?
– Марк —
Это удивительно, но состояние частицы (волна или твердый объект) задается актами наблюдения и измерения. Не измеряемые и не наблюдаемые электроны ведут себя подобно волнам. Как только мы подвергаем их наблюдению в процессе эксперимента, они «схлопываются» в твердые частицы и могут быть зафиксированы в пространстве.
Но как может быть что-то одновременно и твердой частицей, и текучей волной? Возможно, парадокс будет разрешен, если мы вспомним то, о чем недавно говорили: частицы ведут себя как волны или как твердые объекты. Но понятия «волна» и «частица» – это всего лишь аналогии, взятые из нашего повседневного мира. Понятие волны было введено в квантовую теорию Эрвином Шредингером. Он автор знаменитого «волнового уравнения», которое математически обосновывает существование у твердой частицы волновых свойств до акта наблюдения. Некоторые физики – в попытке объяснить то, с чем они никогда не сталкивались и не могут до конца разобраться, – называют субатомные частицы «волночастицами».
Вниз по кроличьей норе с частицами
Когда Шредингер сформулировал волновое уравнение, Гейзенберг решил ту же задачу с помощью теории матриц. Но математика – штука сложная. Она далека от повседневных, обыденных представлений. К тому же ее понятия не столь образны, как, например, «волна». Поэтому волновое уравнение было принято более благосклонно, чем матричные преобразования. Хотя и то, и другое – лишь аналогии.
Потрясение № 3 – квантовые скачки и вероятность
Изучая атом, ученые обнаружили: когда электроны, вращаясь вокруг ядра, перемещаются с орбиты на орбиту, они не движутся в пространстве, как обычные объекты. Нет, они покрывают расстояния мгновенно. То есть исчезают в одном месте и появляются в другом. Этот феномен назвали квантовым скачком.
Мало того – ученые поняли, что не могут точно определить, где именно на новой орбите появится исчезнувший электрон или в какой момент он будет совершать скачок. Самое большее, что они смогли сделать, – рассчитать вероятность (на основании волнового уравнения Шредингера) нового местоположения электрона.
Пока субатомный объект находится в состоянии волны, неизвестно, во что он превратится, когда его будут наблюдать и он локализуется в пространстве. Он находится в состоянии «множественных вероятностей» (такое состояние называют суперпозицией). Это что-то вроде подбрасывания монетки в темной комнате. С математической точки зрения, даже после того, как она упадет, нельзя определить, лежит она вверх орлом или решкой. Но как только в комнате включается свет, суперпозиция «схлопывается», и мы узнаем: монета стала «орлом» или «решкой». Измерение волны в квантовом эксперименте (подобно свету, падающему на монетку) «схлопывает» квантовую механическую суперпозицию, и образуется частица в «классическом» состоянии.
«Реальность, как мы ее ощущаем, создается в каждый момент времени из совокупности бесчисленных возможностей, – говорит доктор Сатиновер. – Но настоящая тайна – в том, что нет ничего в физической Вселенной, что бы определяло, какая именно возможность из этой совокупности осуществится. Нет процесса, который это устанавливает».
Таким образом, квантовые скачки – единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.
Потрясение № 4 – принцип неопределенности
В классической физике все параметры объекта, включая его пространственные координаты и скорость, могут быть измерены с точностью, ограниченной только возможностями экспериментальных технологий. Но на квантовом уровне всякий раз, когда вы определяете одну количественную характеристику объекта, например скорость, вы не можете получить точных значений других его параметров, например координат. Другими словами: если вы знаете, как быстро объект движется, вы не можете знать, где он находится. И наоборот: если вы знаете, где он находится, не можете знать, с какой скоростью он движется.
Как бы ни изощрялись экспериментаторы, какие бы продвинутые технологии измерений ни использовали – заглянуть за эту завесу им не удается.
Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой физики, сформулировал принцип неопределенности. Суть его в следующем: как ни бейся, одновременно невозможно получить точные значения координат и скорости квантового объекта. Чем большей точности мы добиваемся в измерении одного параметра, тем более неопределенным становится другой.
