В отдаленной перспективе развитие технологий будет отражать связанную картину природы, которую мы сейчас собираем по кусочкам. В конце XIX в. английские физики изучали свойства электрических токов в сильно разреженной среде. И хотя это была чистая наука, не имевшая целью практическое применение, исследования привели к открытию электрона, без представлений о котором большая часть современных технологий не могла бы существовать. Если бы эти физики ограничивали себя работой, имеющей очевидную практическую ценность, они должны были бы изучать поведение паровых котлов.
14. Проблема квантовой механики
Квантовая механика сегодня считается универсальным математическим средством, позволяющим нам понимать законы природы. Все физики пришли к согласию насчет того, как следует использовать квантовую механику, и ее применение позволило выполнить потрясающе успешные расчеты атомов, молекул, атомных ядер, элементарных частиц и многого другого. Вместе с тем в ней местами сохраняется противоречивость, прежде всего в том, что касается формулировки ее положений относительно измерений и вероятностей, а также их проверки.
Как и большинство физиков, в целом я был удовлетворен использованием квантовой механики в своих прошлых работах и не особенно переживал насчет противоречий. Однако в 2012 г. в процессе написания учебника по квантовой механике я решил, что должен заняться этими проблемами, чтобы можно было изложить их студентам старших курсов и аспирантам.
Я прочел приличный объем того, что было написано физиками, всерьез интересовавшимися фундаментальными основами квантовой механики, но почувствовал некоторое смущение от того, что не могу выбрать ни одну из их интерпретаций квантовой механики, которая казалась бы мне совершенно удовлетворительной. Мое смятение усилилось, когда в 2015 г. я столкнулся с той же проблемой при подготовке второго издания своего учебника.
Примерно тогда я задумался о том, чтобы описать проблемы вокруг квантовой механики в научно-популярной статье. Эта идея получила развитие, когда меня пригласили выступить со специальной лекцией — четвертой ежегодной Патруской лекцией Совета по развитию научного писательства на встрече, проходившей в октябре 2016 г. в Сан-Антонио. Предложение было заманчивым, поскольку давало мне возможность узнать, смогу ли я понятно рассказать о квантовой механике не физикам.
Я посчитал, что мое выступление прошло довольно хорошо, поэтому записал его для журнала The New York Review of Books. Статья вышла в номере от 19 января 2017 г. Эта публикация стала моей последней статьей, написанной в сотрудничестве с выдающимся редактором журнала Робертом Сильверсом, который скончался 20 марта 2017 г.
«Сотрудничество» — подходящее слово. Время от времени Боб включал в Review статьи о фундаментальной науке, но он понимал всю сложность перевода идей с языка физики на язык обычного читателя. Это стало отдельной проблемой при написании статьи о квантовой механике, идеи которой настолько далеки от интуитивно понятных, что почти невыразимы на любом языке, кроме математического. Боб указал на множество непонятных мест в первом варианте текста и без устали заставлял меня их прояснять. Даже если в этой статье остались сложные куски, ни один редактор не смог бы сделать ее более понятной.
Развитие квантовой механики в первые десятилетия XX в. повергло в шок многих физиков. Сегодня, несмотря на ее огромные успехи, споры о ее значении и будущем продолжаются.
Первым серьезным испытанием стал вызов, брошенный привычным физическим понятиям, сложившимся к 1900 г. Были частицы (атомы, а затем электроны и атомные ядра), и были поля — они заполняют в пространстве целые области, из-за чего там действуют электрические, магнитные и гравитационные силы. Световые волны были признаны самоподдерживающимися колебаниями электрического и магнитного полей. Однако для того, чтобы описать излучение, испускаемое нагретыми телами, Альберт Эйнштейн в 1905 г. посчитал необходимым представить световые волны в виде потоков безмассовых частиц, позже названных фотонами. Затем в 1920-е гг., благодаря теориям Луи де Бройля и Эрвина Шрёдингера, выяснилось, что электроны, которые всегда считались частицами, при определенных условиях ведут себя как волны. Для того чтобы описать энергетически стабильные состояния атомов, физикам пришлось отказаться от представления об электронах в атомах как о маленьких ньютоновских планетах, вращающихся по орбитам вокруг атомных ядер. Электроны в атомах скорее подобны волнам, окружающим ядро, — как звуковые волны окружают органную трубу
[90]. В фундаментальных понятиях началась путаница.
Еще хуже то, что электронные волны — это не волны «электронной материи», подобные океанским, являющимся волнами воды. Как показал Макс Борн, электронные волны — это скорее волны вероятности. Когда свободный электрон сталкивается с атомом, мы принципиально не можем указать, в каком направлении он отскочит. Электронная волна после столкновения с атомом распространится во всех направлениях, как морская волна, ударившаяся о риф. Как пояснил Борн, это не означает, что сам электрон разбегается во все стороны. Наоборот, неделимый электрон движется в некотором одном направлении, которое невозможно точно предсказать. Вероятнее всего, электрон отправится в том направлении, где амплитуда волны выше, но тем не менее его движение возможно в любом направлении.
Вероятности не были чем-то неизвестным для физиков 1920-х гг., однако всегда считалось, что они отражают несовершенство наших знаний об исследуемом процессе, а вовсе не случайность в рамках физического закона, которому этот процесс подчиняется. Ньютоновские теории движения и гравитации установили стандарт детерминистских законов. Зная с достаточной степенью точности положение и скорость каждого тела в Солнечной системе в некоторый момент времени, с помощью законов Ньютона можно с хорошей точностью определить местоположение этих тел в любой момент времени в будущем. В ньютоновской физике вероятности возникают только тогда, когда наше знание несовершенно, например когда мы не имеем точных данных о том, как совершается бросок пары игровых костей. Но в новой квантовой механике, казалось, потерян сам детерминизм законов физики.
Все казалось очень странным. В своем письме Борну, написанном в 1926 г., Эйнштейн жаловался: «Квантовая механика очень впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это не есть что-то реальное. Теория дает хорошие результаты, но вряд ли она приблизит нас к разгадке секрета Бога. Я абсолютно убежден, что Он не играет в кости»
[91]. Еще в 1964 г. в своих Мессенджеровских лекциях
[92], прочитанных в Корнеллском университете, Ричард Фейнман сокрушался: «Я думаю, с уверенностью могу сказать, что никто не понимает квантовую механику»
[93]. С появлением квантовой механики разрыв с прошлым был столь резким, что все прежние физические теории стали называться «классическими».
