Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего

Жереми Харрис

Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего

Маме, научившей меня думать

Папе, научившему меня писать.

Эду, научившему меня, как делать и то и другое одновременно.

Сарине, научившей меня, как при этом не сойти с ума.

Введение

Квантовая механика – это поразительная наука о микромире. Она описывает поведение крошечных частиц, вроде атомов и молекул, которые способны вытворять трюки, отрицающие всякую логику: то они находятся в нескольких местах одновременно, то вращаются сразу в двух противоположных направлениях. Квантовая механика – словно водоворот, в котором перемешано все на свете, от сознания и параллельных вселенных до вечной жизни и свободы воли. При этом только она дает нам научную основу, которая позволяет понять, что представляет собой человек на фундаментальном уровне.

Странная это наука, и занимаются ей странные люди. И иногда эти странные люди собираются потусоваться.

Как-то раз, еще в 2014 году, я попал на тусовку, которую устроил один чудаковатый и крайне авторитетный квантовый физик. Назовем его Боб, поскольку так его и звали.

В физике есть свои рок-звезды, и Боб был одной из них. К тому времени, как я начал работать в его лаборатории, он написал учебник-бестселлер, сделал несколько важных открытий в теории лазеров и провел знаменитые эксперименты по изучению квантовых свойств света. Он даже стал лауреатом профессиональной премии, названной в честь одного прусского аристократа, а эта премия, по крайней мере в физике, – надежный показатель, что ты и правда чего-то стоишь.

Не стану скрывать, что Боб научил меня кое-чему по физике, когда я был в аспирантуре. Но на той тусовке мы поменялись ролями.

Вокруг меня столпились Боб, еще кое-кто из рок-звезд и с полдесятка патлатых аспирантов, и все они пристально смотрели на лежавший передо мной листок бумаги, совершенно завороженные тем, что я на нем только что намалевал. А были это человечки в стиле «ручки-ножки-огуречик» – таких кособоких еще свет не видывал.

– Вот и все, – сказал я. – Вот почему некоторые считают, что квантовая механика делает возможным существование параллельных вселенных.

Без ложной скромности скажу, что зрители были потрясены.

– В этом… гораздо больше смысла, чем я ожидал, – сказал один из них. – Надо же, мне еще никто такого не говорил! Эта теория вовсе не такая уж безумная.

Даже Боб и тот был огорошен.

В последующие месяцы я наблюдал, как многие мои коллеги из лаборатории начинали воспринимать идею параллельных вселенных серьезнее, хотя раньше отмахивались от нее, считая чистой научной фантастикой. Некоторые даже решили, что теперь это будет их любимый подход к толкованию квантовой механики. О этот пыл неофита!

Так как же получилось, что мы живем в мире, где даже у самых блестящих физиков после двадцатиминутного разговора с мелюзгой вроде меня плавятся мозги? Как эти великие ученые дожили до того, что их хрупкое мировоззрение готово пошатнуться из-за парочки человечков, накарябанных на бумажке подвыпившим вчерашним подростком?

Думаю, ответ на этот вопрос имеет некоторое отношение к тому, почему папа римский вряд ли хорошо знаком с сайентологией. Когда думаешь, будто уже знаешь истину, обычно не ищешь других вариантов, да еще и преисполняешься уверенности, что искать их и не нужно. Вот почему у римских пап есть мученики, у сайентологов – Том Круз, а у разных трактовок квантовой теории – свои ревностные приверженцы.

Впрочем, это не должно удивлять. У квантовой механики и правда много общего с религией. Она рассказывает нам о вселенной, о ее появлении, о том, куда она движется, о том, кто мы и что мы, и – хотите верьте, хотите нет – даже о том, что с нами будет после смерти.

А еще, подобно любой религии, квантовая механика не избавлена от противоречий. Да, это дико успешная теория, однако я своими глазами видел, как физики буквально брызжут слюной, споря о том, что именно квантовая физика говорит нам об устройстве вселенной. Одни утверждают, что она рисует картину бесконечного множества параллельных вселенных, другие – что она оставляет в законах физики место сознанию, а третьи – что она описывает вселенную с предопределенным будущим, в которой судьба каждого из нас была раз и навсегда предначертана с момента Большого взрыва.

Но, как ни крути, квантовая механика остается естественным продолжением того пути человечества к самопознанию, который начался десятки тысяч лет назад. И если думать о ней таким образом, как же мне не стыдно превращать ее в дешевый фокус на потеху подвыпившей компании?

Раз уж мы заговорили о тусовках для умников, расскажу, пожалуй, о другом сборище, где я побывал за несколько месяцев до того вечера у Боба.

Дело было в битком набитом лекционном зале на двести мест в физическом корпусе Торонтского университета. Но мы пришли туда не на научную лекцию. Мы пришли послушать одного физика-христианина, который бархатистым, как коньяк, баритоном рассказывал, почему наука вроде бы свидетельствует о существовании Бога. Назовем этого физика Кирк, опять же потому, что его так и зовут.

Должен заметить, что Кирк в параллельные вселенные не закапывался. Единственным разумным подходом к квантовой механике он считал тот, что опирается на человеческое сознание, а это очень удачно соответствовало религиозным представлениям докладчика. «Как удобно, – кипятился я про себя, – считать самой убедительной именно ту интерпретацию квантовой механики, которая льет воду на мельницу твоих давних убеждений!»

Домой после выступления Кирка я пришел взвинченный, меня тянуло поспорить, поэтому я начал рыться в учебниках и шерстить википедию в поисках контраргументов, которыми можно было бы сразить Кирка на каком-нибудь его следующем выступлении. Я падал все глубже и глубже то в одну кроличью нору, то в другую – и ни за что не мог ухватиться. Каждый раз, когда мне казалось, будто я что-то нащупал – неправильно употребленный термин, необоснованное утверждение, – стоило мне копнуть чуточку глубже, как находилось не такое уж ужасное обоснование. Так продолжалось час, потом другой, потом третий.

Вскоре моя девушка начала возмущаться. Пришлось признать поражение.

Эта история научила меня двум вещам. Во-первых, когда решаешь жить с кем-то вместе, надо учитывать, что время на бессмысленное копание в интернете у тебя будет резко ограничено, иначе придется спать на диване. Во-вторых, я понял, что у меня больше общего с папой римским, чем мне хотелось думать. Я льстил себе мыслью, что я трезвомыслящий физик, необычайно хорошо разбирающийся в разных подходах к квантовой механике. И вот пожалуйста: я совершенно выбит из колеи силой аргументации, которую списывал со счетов как нелепую только потому, что от нее возникало такое ощущение.

Поймите меня правильно, я не собираюсь втюхивать вам гипотезу квантового сознания. Но я не могу и отрицать, что идея сознания как фундаментального элемента физики совсем не настолько безумна, насколько думает большинство, в том числе большинство физиков.

Вот такая она, квантовая механика. Она заставляет нас всерьез рассматривать варианты, которые поначалу кажутся научной фантастикой. Она привела едва ли не к самому крупному крушению общепринятого мировоззрения в истории. И она обнажает наши предубеждения, наше самомнение и всю хаотичность процесса, при помощи которого мы убеждаем себя, что прекрасно понимаем, как устроена реальность.

Так что же говорит квантовая механика о мироустройстве? И почему то время, в котором мы с вами живем, самое восхитительное и самое неопределенное за всю человеческую историю с точки зрения понимания реальности?

Чтобы ответить на эти вопросы, нам придется поговорить об истории человеческого самопознания.

В начале был арахис

Когда вы в последний раз злились на арахис?

Если вы обычный человек, ответ, скорее всего, будет звучать так: «Никогда. Я люблю арахис. И признаться, недоумеваю, зачем было начинать книгу о квантовой механике с разговора о каком-то арахисе».

Я вас прекрасно понимаю, но вот в чем дело: арахис – это машина для убийств. Хотя исследователи называют разные цифры, но так или иначе каждый год от аллергии на него погибают десятки, а то и сотни человек, в основном детей. Мало того, на арахисе легко поскользнуться, он оставляет трудновыводимые жирные пятна, а его кусочки могут застрять между зубами и испортить весь вечер.

При всем при том вы вряд ли когда-нибудь всерьез сердились на арахис. Как и я. Дело в том, что я сомневаюсь, способен ли арахис отвечать за свои поступки. Это совершенно невинный представитель семейства бобовых.

Сегодня почти все относятся к арахису точно так же, как мы с вами. Но так было не всегда.

Чтобы понять почему, представьте себе, что вас раздели догола и сбросили с самолета куда-то в самую чащобу богом забытых джунглей, стерев предварительно из вашей головы все знания о науке и технике. Никаких телефонов. Никаких ноутбуков. Никаких воспоминаний о цивилизации двадцать первого века.

Вы оглядываетесь вокруг и обнаруживаете, что не одни. Ваша новая среда обитания кишит жизнью: тут и плодородная почва, и пышная листва, и другие животные. Какие-то из этих животных, в основном птицы и грызуны, достаточно малы и сойдут за потенциальную пищу, но есть и другие, гораздо более крупные и зубастые, и они смотрят на вас так же, как вы – на птиц и грызунов. Ой.

Теперь у вас появилось кое-что общее с вашими первыми предками: вы угодили в самую середину местной пищевой цепочки. Вы больше не доминируете над всеми другими видами, вы не занимаете место бесспорного чемпиона в извечной игре в естественный отбор – вы полностью включены в структуру природы. Любое взаимодействие с окружающей средой может склонить чашу весов в ту или иную сторону, и шансов, что ты кем-то закусишь или кто-то закусит тобой, примерно поровну.

Наши предки насмотрелись на этот цирк первобытного существования с его бескомпромиссным «кто кого первым съест» и извлекли один очевидный урок: вероятно, люди не так уж сильно отличаются от грызунов, лишайников и саблезубых тигров (или арахиса). А может быть, задумался кто-то из них, мы с жуками, растениями и грязью находимся на одном уровне не только с точки зрения природы, но и с точки зрения духовности?

По крайней мере, именно так некоторые историки объясняют популярность анимизма – веры в то, что душа есть не только у людей, но и у всего помимо нас, то есть у животных, мест, растений и так далее. Эти представления распространились среди древних людей десятки тысяч лет назад.

А потом в какой-то момент люди начали массово строить хижины, деревни, а затем и города. Мы засевали поля тесными рядами пшеницы, заталкивали кур в курятники, заставляли волов таскать за нас тяжести. Мысль, что пшеница и волы, которыми мы так бесцеремонно распоряжаемся, могут обладать какой-то духовной сущностью, такой же, как у людей, начала нас… смущать.

Поэтому, согласно одной теории, на сцену вышел когнитивный диссонанс, и у некоторых наших предков в голове сложилась примерно такая логическая цепочка: «Только отъявленный негодяй способен обижать живое существо, наделенное духовной сущностью. Я не отъявленный негодяй, следовательно, у пшеницы и волов не может быть души».

Так и вышло, что представление об индивидуальной душе у каждого животного, камня и места кануло в Лету, сменившись, как утверждают некоторые историки, идеей богов-покровителей этих самых животных, камней и мест. Вместо мысли о том, что у каждого растения есть душа, появилось представление, что существует бог пшеницы или даже бог земледелия.

Боги – великое изобретение, ведь они служат посредниками между нами и всеми теми, кого мы едим или заставляем носить тяжести, так что мы могли сохранить и чистую совесть, и доступ к сверхъестественному. Вуаля! Мы изобрели политеизм.

Если эта теория об эволюции человеческих верований верна, стоит подчеркнуть, что большинство культур отказалось от анимизма не потому, что он оказался неправильным, а потому, что он стал неудобным. До поры до времени просто запомним эту мысль, поскольку мы вскоре убедимся, что анимизм – это дверь, которую, как ни странно, оставляет для нас открытой новая картина мира, основанная на квантовой механике.

Монотеизм от Авраама до Заратустры

Монотеизм – это вера в то, что существует только один бог. Когда большинство из нас думает о монотеизме, первыми на ум приходят авраамические религии – иудаизм, христианство и ислам. Хотя это самые успешные эксперименты человечества с монотеизмом (если считать по количеству верующих), они однозначно не единственные и, вероятно, даже не первые.

В какой-то момент между 1500 и 1000 годами до нашей эры один тридцатилетний перс сидел себе на бережку после бурной (на древний манер) ночки. Там ему предстало видение, которое вдохновило его создать новую монотеистическую религию, сохранившуюся по сей день. Звали перса Заратустра, а на греческий манер Зороастр, поэтому и основанную им религию назвали зороастризмом. Зороастризм, примерно как современное христианство и ислам, постулирует, что существует душа, свобода воли и некий высший, божественный план бытия. В сущности, зороастрийские представления о душах и свободе воли, вероятно, сыграли важную роль в формировании последующих авраамических религий.

Впрочем, все первые монотеистические верования, будь то разновидности иудаизма, зороастризма или чего-то совершенно иного, по большей части опирались на относительно одинаковые принципы: люди – особые существа, наделенные свободой воли, душой и допуском высшего уровня в некую загробную жизнь. Сотни лет в университетах шли дебаты, в ходе которых все это обсуждали люди с очень суровыми лицами, очень длинными бородами и в очень смешных париках. В целом они мало чего добились, не считая того, что перемешали старые идеи в кашу и добавили щепотку спекуляций для вкуса.

Тем больше поражает, что открытия в области квантовой механики, зародившейся всего сто лет назад, полностью перевернули наши представления о человеке и его месте во вселенной, всколыхнув многовековое философское болото. Сегодня квантовая механика – важнейший ингредиент в любом споре о природе человека, жизни и вселенной. И так уж вышло, что она стала самой мощной разрушительной силой для нашего самовосприятия за последние тысячу с лишним лет!

Но я забегаю вперед. Прежде чем мы перейдем к квантовой механике и тому, что она означает для вас, вашей свободной воли и вашей бессмертной души, нужно поговорить о последней революции в человеческом мировоззрении – об эпохе Просвещения.

От одного к ни единому

Пока что мы проследили за ходом рассуждений человечества при переходе от систем убеждений, в которых священно все сущее, к системам, где священно многое сущее, а затем к системам, в которых священна лишь одна-единственная сущность[1].

По крайней мере на Западе каждая следующая революция в миропонимании оставляла нам все меньше богов и все меньше духов. И этот тренд продолжался до следующей остановки на нашем пути.

Что подводит нас к 5 июля 1687 года, когда Королевское общество опубликовало труд под названием Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Непроизносимое название, слабая проработка персонажей – вряд ли сегодня на «Амазоне» такая книга получила бы больше четырех звезд. Но недостатки стиля и легкости чтения восполняло содержание: в книге было показано, что любой объект в нашей вселенной движется в соответствии с простыми законами, а его движение можно предсказать математически. Кстати, вы, должно быть, слышали о ее авторе – его звали Исаак Ньютон.

Вам, наверное, интересно, почему ньютоновская математическая картина вселенной произвела такую сенсацию. А дело вот в чем: до Ньютона, если бы восьмилетний ребенок спросил родителя, к примеру, почему яблоко упало на землю, совершенно приемлемым ответом было бы развести руками и сказать «На то была воля Божья!», после чего отправить ребенка обратно пахать поле, вычесывать вшей или чем там занимались маленькие дети в XVII веке.

А Ньютон дал совсем другой ответ. Вместо того чтобы апеллировать к божественному вмешательству, дабы объяснить, почему яблоки падают, он предположил, что ответ вполне можно получить при помощи непротиворечивого набора математических законов. Математическая теория Ньютона стала буфером между нами и Господом Богом, научным барьером, который отодвинул земное от небесного на немыслимое прежде понятийное расстояние. А это проложило путь к новому направлению агностической науки, которая в итоге стала определяющей чертой эпохи Просвещения.

Сразу скажу, что Ньютон был человеком очень верующим. С его точки зрения, Бог не напрямую отвечал за падение яблок с деревьев, однако это Он создал математические законы, вынуждающие яблоки падать с деревьев.

В последующие десятилетия и века ученые все лучше и лучше расшифровывали математические законы вселенной. И чем дальше, тем меньше им приходилось опираться в своих теориях непосредственно на Бога. А поскольку люди строят свои системы убеждений на удобстве, привычке и своекорыстии, а не на здравом смысле (см. гипотезу о переходе от анимизма к политеизму), очень многим пришла в голову вот какая мысль: «Возможно, концепция Бога нам вообще ни к чему».

А знаете, кто навел их на эту мысль? Наполеон, вот кто.

В промежутке между вторжениями в половину стран Европы и проведением революционных реформ образования Наполеон умудрился найти время поговорить с легендарным французским физиком Пьером-Симоном Лапласом, который недавно разработал новую теорию устройства Солнечной системы. Наполеон начал беседу с того, что спросил у Лапласа, почему в его теории нигде не упоминается Господь. «Я не нуждаюсь в этой гипотезе», – ответил Лаплас с самодовольством человека, сумевшего собрать стул из магазина «ИКЕА», хотя в комплекте не хватало винтика.

То, что Лапласу удалось составить полное физическое описание всей Солнечной системы, ни разу не сославшись на Бога и не упомянув о вмешательстве свыше, было большим достижением. Научная революция оттеснила Бога на обочину, и не потому, что научные открытия сделали веру в Бога неправдоподобной, а потому, что с ними она стала менее необходимой.

Затишье перед бурей

К концу XIX века физики нарисовали четкую и ясную картину вселенной. Мы научились строить паровые двигатели, рассчитывать вращение Меркурия по эллиптической орбите с погрешностью в 0,01 градуса и объяснять поведение жидкостей и газов с феноменальной точностью. Поговаривали, что в целом мы вывели все нужные для понимания вселенной законы и теперь остается лишь создавать с их помощью всякие интересные и полезные штуки.

Или, как выразился лорд Кельвин в 1900 году: «В физике больше нечего открывать. Остается лишь повышать точность измерений».

В физических законах того времени блистают своим отсутствием любые упоминания о богах, душе, свободе воли и сознании. Напротив, физики XIX века описывали вселенную как огромное, вероятно, даже бесконечное пространство, содержащее совершенно неимоверное количество до нелепости крошечных частиц наподобие бильярдных шаров, которые так и носятся по космосу, в остальном пустому.

Иногда частицы друг с другом сталкиваются. Тогда они соблюдают простые законы Ньютона, которые заставляют часть из них объединиться в более сложные структуры. Эти сложные структуры тоже иногда объединяются в еще более сложные структуры, что в итоге порождает интересные объекты – камни, арахис, людей. Но какими бы сложными ни были эти объекты, они по-прежнему фундаментально состоят из частиц, подчиняющихся простым, на сто процентов предсказуемым законам движения.

У этой предсказуемости были далеко идущие последствия. Если сделать моментальный снимок вселенной, который позволит точно определить, где находится каждая частица во вселенной и куда она в этот момент направляется, – можно при помощи ньютоновских законов со стопроцентной уверенностью предсказать, что будет делать каждая из этих частиц в любой момент в будущем. Ньютоновская механика теоретически дала нам возможность предсказывать будущее, превратила в расу облаченных в белые халаты и потенциально всеведущих властителей вселенной.

Но если будущее можно точно предсказать, значит, оно высечено в камне. Значит, события во вселенной разворачиваются словно бы по сценарию, прописанному в законах ньютоновской механики. Философы называют такой подход детерминистическим – поскольку любое событие в будущем полностью детерминировано событиями в прошлом, а еще потому, что им платили за количество слогов.

Если и в самом деле мы просто созданы из атомов, которые следуют предсказуемым законам движения, значит, мне суждено было написать эту книгу, вам суждено было ее прочитать, и так обстоит дело с любыми решениями, что нам еще предстоит принять. Вряд ли удастся усмотреть здесь простор для божественного вмешательства, свободы воли или идеи о душе.

На этом поэтичный путь человечества к самопознанию мог бы и завершиться. Много тысяч лет мы постепенно убеждались, что какой-либо душой, сознанием и свободой воли наделено все меньше и меньше сущностей: сначала отказались от анимизма в пользу политеизма, затем от политеизма в пользу монотеизма. Разве не логично было бы обнаружить, что всего этого нет вообще ни у кого, даже у людей?

Однако нет такого закона, по которому реальность обязана быть поэтичной.

Ньютоновское мировоззрение развалилось, словно карточный домик на гладкой поверхности, – сначала потихоньку расползалось, а потом рухнуло все разом.

Несколько нестыковок

Ньютоновская механика впечатляла. Она давала поразительно точные прогнозы и позволяла сотворить невероятно полезные штуки, с помощью которых мы строили железные дороги, лечили болезни, изобретали целые отрасли промышленности и создавали глобальные империи.

Оставалось лишь несколько неприятных помех, которые никак не удавалось устранить.

Например, помните, я упомянул об эллиптической орбите Меркурия и о том, что ньютоновская механика позволяла рассчитывать ее с точностью до 0,01 градуса?

Так вот, люди делятся на два типа:

1. «Ничего себе, как круто! Ньютон – красавчик! Давайте скорее соберем паровой двигатель, изобретем лампочку или еще что-нибудь».

2. «А почему это наши лучшие расчеты дают такую здоровенную погрешность – 0,01 градуса? Что-то тут неладно!»

Первый тип называется «инженеры», второй – «физики».

С одной-двумя капризными орбитами физики еще смирились бы, но астрономией вопросы не ограничивались. Была еще проблемка под названием «ультрафиолетовая катастрофа».

Вы же замечали, что спираль в электроплитке при нагревании светится красным? Так вот, физики XIX века обожали наблюдать за подобной ерундой и потратили кучу времени на изучение связи между температурой горячего предмета и цветом его излучения. Но беда в том, что предсказывать цвет раскаленного металла им удавалось из рук вон плохо, особенно ближе к ультрафиолетовому (самому горячему) концу цветового спектра. Настолько плохо, что ситуация вполне заслуживала названия катастрофической.

Меркурий, раскаленный металл и еще кое-какие экспериментальные данные, которые почему-то не вписывались в ньютоновскую картину мира, натолкнули ученых на мысль, что с современной физикой что-то капитально не так.

И ученые стали думать. Думали они, думали, и в конце концов усатому скалолазу-пианисту Максу Планку пришла в голову блестящая мысль.

И разразилась квантовая революция.

Квантовые раздумья

Максу Планку хотелось всего-навсего понять, как побороть эту самую ультрафиолетовую катастрофу. «Дерзновеннейшая цель моей жизни, – должно быть, думал он, – научиться точнее предсказывать цвет раскаленной спирали. Вот за что меня будут помнить благодарные потомки!»

Тогда ему было невдомек, что решение задачи о цвете горячего металла станет ящиком Пандоры. Чтобы разобраться почему, поговорим немного о воде.

При комнатной температуре вода ощущается непрерывным веществом. Не чувствуется, что она состоит из частичек воды, это единая текучая субстанция. Но на самом-то деле она совершенно точно состоит из частичек воды, и эти частички называются молекулами воды. Мы их не замечаем лишь потому, что они очень маленькие, вот у нас и возникает иллюзия непрерывного вещества.

Планк осознал, что энергия, которую мы подаем на спираль для разогрева, подобна воде: она не течет непрерывно, а поступает в виде отдельных порций – своего рода «молекул» энергии. Как и молекулы воды, эти дискретные порции энергии так малы, что их столетиями никто не замечал!

Достижение было крайне важным, поскольку тогда все считали, что энергия как раз и представляет собой непрерывную текучую субстанцию, которая пронизывает пространство, словно волна. Планк поставил под сомнение многовековую научную догму – и все ради задачки о предсказании цвета раскаленной спирали, что не давала ему покоя.