Подобный эффект можно заметить, когда вы начинаете петь в душе. Только определенные дискретные частоты, или длины волн, удачно отражаются от стен и усиливаются, тогда как другие, которые не укладываются целиком, глушатся – аналогично тому, как электронные волны обращаются вокруг ядра атома: годятся только определенные дискретные частоты.
Этот прорыв принципиально изменил курс развития физики. Представьте: в одном году физики, пытаясь описать атом, оказываются в совершенном тупике. А уже на следующий год, получив уравнение Шрёдингера, они учатся рассчитывать внутреннее строение самого атома. Я иногда преподаю квантовую механику магистрантам и обязательно пытаюсь донести до них тот факт, что все вокруг нас может, в определенном смысле, быть описано через решение этого уравнения. Я говорю им, что с его помощью можно объяснить не только атомы, но и связи атомов и образование молекул, а следовательно, и все химические вещества, из которых состоит наша Вселенная.
Однако, каким бы всеобъемлющим ни было уравнение Шрёдингера, оно все же имело ограничение. Оно работало только для маленьких скоростей, то есть было нерелятивистским. Уравнение Шрёдингера ничего не говорило о скорости света, о специальной теории относительности и о том, как электроны взаимодействуют со светом через уравнения Максвелла. Не было в нем и красивой симметрии теории Эйнштейна, скорее оно было неуклюжим, да и работать с ним математически было трудно.
Теория электрона Дирака
И вот двадцатидвухлетний физик Поль Дирак решил соединить пространство и время и написать волновое уравнение, которое подчинялось бы специальной теории относительности Эйнштейна. Одной из причин отсутствия элегантности в уравнении Шрёдингера было то, что пространство и время рассматривались по отдельности, из-за чего вычисления зачастую были утомительными и требовали много времени. Теория Дирака объединяла то и другое и обладала четырехмерной симметрией, так что она одновременно была красивой, компактной и элегантной. Все неуклюжие члены оригинального уравнения Шрёдингера трансформировались в одно простое четырехмерное уравнение.
(Помню, как во времена учебы в старших классах я отчаянно пытался заучить уравнение Шрёдингера и сражался с его некрасивыми членами. Разве может быть природа такой злонамеренной, думал я, чтобы сотворить настолько неуклюжее волновое уравнение? Затем я наткнулся на уравнение Дирака, которое оказалось красивым и компактным. Я даже прослезился, когда увидел его.)
Уравнение Дирака имело шумный успех. Как мы уже знаем, Фарадей показал, что переменное электрическое поле в проволочной рамке порождает магнитное поле. Но откуда берется магнитное поле в стержневом магните, где нет никаких движущихся зарядов? Это казалось загадкой. Но уравнения Дирака предсказывали, что электрон имеет вращательный момент, который создает собственное магнитное поле. В математику это свойство электрона – спин – было встроено с самого начала. (Однако спин – не привычное вращение, которое мы видим вокруг, например в гироскопе, а один из математических членов в уравнении Дирака.) Магнитное поле, созданное спином, точно соответствует полю, которое на самом деле обнаруживается у электронов. Это помогает объяснить происхождение магнетизма. Так откуда же берется магнитное поле в магните? Его порождает спин электронов, находящихся внутри металла. Позже выяснилось, что спином обладают все элементарные частицы. Мы вернемся к этой важной концепции в одной из следующих глав.
Что еще важнее, уравнение Дирака предсказало существование неожиданной новой формы вещества, получившей название антивещества. Антивещество подчиняется тем же законам, что и обычное вещество, за исключением того, что обладает зарядом противоположного знака. Так что антиэлектрон, называемый также позитроном, имеет положительный, а не отрицательный электрический заряд. В принципе, можно создавать антиатомы, состоящие из антиэлектронов, обращающихся вокруг антипротонов и антинейтронов
[22]. Но когда вещество и антивещество сталкиваются, происходит взрыв с выделением энергии. (Антивещество станет принципиально важным элементом теории всего, поскольку все частицы в окончательной теории должны иметь двойников из антивещества.)
Прежде физики рассматривали симметрию как эстетически приятный, но несущественный аспект любой теории. Теперь их поражала мощь симметрии, то, что симметрия способна реально предсказывать совершенно новые и неожиданные физические явления (такие, как антивещество и спин электрона). Физики начинали понимать, что симметрия – необходимое и неизбежное свойство Вселенной на фундаментальном уровне.
Что колеблется?
Но ученым по-прежнему не давал покоя ряд вопросов. Если электрон обладает волновыми свойствами, то что именно возмущает среду, в которой существует эта волна? Что колеблется? И как эта волна может проходить сквозь два разных отверстия одновременно? Как электрон может в одно и то же время находиться в двух местах?
Ответ оказался поразительным и невероятным и сразу же разделил физическое сообщество пополам. Макс Борн в статье 1926 г. написал, что колеблется вероятность нахождения электрона в данной точке. Иными словами, невозможно определить точно и наверняка, где находится электрон. Все, что вы можете узнать, – это вероятность его нахождения. Вернер Гейзенберг закрепил это положение в своем знаменитом принципе неопределенности, который гласил, что знать точно и скорость, и местоположение электрона невозможно. Иными словами, электроны – это частицы, но вероятность нахождения этой частицы в любой заданной точке задается волновой функцией.
Эта идея произвела эффект разорвавшейся бомбы. Она означала, что точно предсказать будущее нельзя. Можно предсказать только шансы на то, что определенные вещи произойдут. Но отрицать успехи квантовой теории было невозможно. Эйнштейн писал: «Чем более успешной становится квантовая теория, тем глупее она выглядит». Даже Шрёдингер, первым предложивший концепцию электрона как волны, отверг вероятностную интерпретацию своих собственных уравнений. И сегодня физики продолжают спорить о философских следствиях волновой теории. Разве можно находиться в двух местах одновременно? Нобелевский лауреат Ричард Фейнман однажды сказал: «Мне кажется, можно с уверенностью сказать, что квантовую механику не понимает никто»
[23].
Еще со времен Ньютона физики придерживались во взглядах так называемого детерминизма – философии, согласно которой все будущие события можно точно предсказать. Законы природы определяют движение всех объектов во Вселенной, делая его упорядоченным и предсказуемым. Для Ньютона Вселенная была подобна часовому механизму, тикающему точно предсказуемым образом. Если бы были известны координаты и скорости всех частиц во Вселенной, то из этих данных можно было бы вывести все будущие события.
Конечно, смертные всегда были одержимы предсказанием будущего. Шекспир в «Макбете» писал:
