Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего

И он будет не последним – вскоре на сцену вышла целая плеяда зануд (самым знаменитым был Эйнштейн), решившая доказать: то, что мы считали волной, на самом деле состоит из отдельных частиц.

Хуже того, появилась другая плеяда зануд и показала: то, что мы считали частицами, при определенных условиях ведет себя как волна. Возникла математическая неразбериха, поскольку все кинулись выверять, что есть «частицы», а что «волны».

Ситуация была ужасно запутанной, и ушло добрых два-три десятилетия, прежде чем пыль осела и над пестрым коллажем великих идей и нелепых предположений, который мы могли бы назвать «квантовая механика 1.0», взошло солнце.

Подобно разрекламированной марке сиропа от кашля, квантовая механика 1.0 оставляла у многих противное послевкусие, зато работала довольно хорошо – объясняла ультрафиолетовую катастрофу и позволяла рассчитывать отношение массы к заряду у элементарных частиц с поразительной точностью.

Но все равно что-то не сходилось.

Квантовая механика 1.0 ставила под удар фундаментальное допущение ньютоновского подхода – идею, что можно сказать что-то о системах, за которыми мы не наблюдаем.

В ньютоновском мире, если положить атом в уголок и уйти, можно быть совершенно уверенным, что по возвращении найдешь его в точности на том же месте. А следовательно, можно рассказать связную (хотя довольно скучную) историю о том, чем занимался этот атом, пока тебя не было.

Квантовая механика 1.0 намекала, что истории, которые мы рассказываем себе о ненаблюдаемых атомах, – не более чем утешительная выдумка. В реальности же, как она показывала, физически невозможно, чтобы твой атом сидел смирно, пока тебя не было. Хуже того, невозможно рассказать и единственную историю о том, чем занимался этот атом между моментом, когда ты оставил его в уголке, и моментом, когда вернулся на него посмотреть. С такой точки зрения момент «наблюдения» был редким проблеском согласованности в истории вселенной, поскольку в остальном эта история непоследовательна и запутанна.

Мысль, что атомы могут вести себя по-разному, когда за ними наблюдают и когда не наблюдают, вызывала некоторые вопросы. Откуда арахис или частица вообще знают, что за ними наблюдают? Кто считается «наблюдателем»? Что считается «наблюдением»? Можно ли сказать, будто что-то обладает способностью наблюдать, а что-то нет? Имеет ли наблюдение какое-то отношение к сознанию?

Одни ученые восприняли эти вопросы всерьез, а другие решили, что квантовая механика 1.0 – лютый бред, который срочно необходимо пересмотреть.

Так или иначе, приход квантовой механики перечеркнул тысячелетия растущей философской уверенности в себе. Нам понадобились столетия, чтобы отказаться от анимизма и политеизма, а затем оттеснить на задний план то единственное божество, которое нам осталось. Сначала мы считали себя едиными с природой, затем – едиными с Богом, а потом перешли к представлению о себе как о лишенных души скоплениях атомов, сцепленных законами природы, коим на нас абсолютно плевать.

Квантовая революция вынудила нас взглянуть на мир по-новому. Все от анимизма до бездушного детерминизма снова приобрело актуальность – наряду с совершенно новыми перспективами, о которых мы раньше и не задумывались. Параллельные вселенные, вселенское сознание, дуализм разума и тела – все это вернулось в меню.

Моя книга – об этом самом меню и о том, что оно значит для нас: для меня, для вас и остального человечества. Но еще она об исследователях, шарлатанах и академической индустрии, которая формирует это меню и определяет, что мы с вами думаем о себе и о своем месте во вселенной.

Мне бы хотелось избежать излишнего пафоса, но ставки очень высоки, так что давайте постараемся разложить все по полочкам. Эти идеи – из тех, что формируют самоощущение, а в конечном итоге определяют, какое общество мы решаем выстроить.

Ну и на тусовках сможете произвести впечатление.

Глава 1

Вниз по кроличьей норе

Как физики поняли, что квантовый мир – такое странное место?

В ответе всего одно слово: эксперименты. Физики провели кучу экспериментов и получили настолько дикие и абсолютно непонятные результаты, что осмыслить их можно было только одним способом – допустить, что сама природа играет на квантовом уровне по очень странным правилам. И когда ученые это наконец сделали, они открыли ящик Пандоры, и это перевернуло наши представления о реальности как таковой. А чтобы выяснить, что же было в этом ящике Пандоры, нужно основательно разобраться в экспериментах, которые нас к нему подвели.

Итак, поговорим об экспериментах. Не стану скрывать: экспериментальная физика скучна до одури. Да, она предполагает изучение фундаментальных вопросов о природе вселенной. Но на самом-то деле почти всегда заранее знаешь, какие ответы получишь.

А значит, если результат эксперимента тебя удивил, одно из двух:

1. Тысячи ученых, столетиями трудившиеся не покладая рук, неверно понимали, как устроена природа, а ты – аспирант на минимальном окладе – случайно умудрился подковырнуть вселенную именно таким образом, чтобы доказать их неправоту.

2. Ты запорол эксперимент.

Мозг среднестатистического аспиранта работает на дошираке, дешевом пиве и четырехчасовом сне, поэтому обычно второй вариант предпочтительнее первого. В сущности, примерно единственный расклад, при котором может случиться первый вариант, – это если у тебя накоплено столько соответствующих научных знаний, что ты способен поставить под сомнение коллективные представления всех своих коллег-ученых.

В наши дни это стало бы громким заявлением. Однако в начале XIX века такое было в принципе возможно, и по крайней мере одному человеку сие удалось. Звали его Томас Юнг, и он был не только врачом, лингвистом, музыкантом-теоретиком и египтологом, расшифровывавшим Розеттский камень, но и одним из величайших научных умов своего времени. Знания Юнга были настолько широки и глубоки, что его биография, опубликованная в 2006 году, носит название «Последний человек, который знал все», а в его профиле на LinkedIn можно было бы запутаться напрочь.

В 1801 году Томас Юнг провел эксперимент, который впервые продемонстрировал одну из главных загадок квантовой механики, хотя сам Юнг тогда об этом не подозревал. Его простой эксперимент имел колоссальные последствия для понимания мироустройства и противоречил здравому смыслу. И хотя Юнг провел его более двухсот лет назад, он заложил экспериментальную основу для теорий, которые впоследствии послужили физикам для предсказания существования параллельных вселенных, дуализма разума и тела и много чего еще более спорного и до одури увлекательного.

Вот что сделал Юнг.

Как проделать дырочки в классической физике

Для начала Юнг взял непрозрачный экран и проделал в нем две щелочки:

Затем он направил на экран пучок света. Пучок был достаточно широким, чтобы пройти сквозь обе щели:

После этого Юнг закрыл левую щель, так что свет проходил только через правую.

И наконец, он поставил за непрозрачным экраном-ширмой второй экран, проекционный, чтобы посмотреть, как выглядит свет после прохождения через щель (рис. вверху).

Результат отнюдь не поражал: Юнг увидел на проекционном экране одно яркое пятно именно там, куда и должен был попасть свет после прохождения через правую щель. И тот же результат Юнг получил, когда перекрыл, наоборот, правую щель: опять яркое пятно именно там, где его следовало ожидать, раз он прошел через левую щель (рис. внизу).

Пока что вывод получался незатейливый: свет может проходить только сквозь отверстия в непрозрачном материале. Так себе интригующая завязка.

Зато дальше начались… странности. На последнем этапе Юнг открыл обе щели, так чтобы свет попадал на проекционный экран и через щель 1, и через щель 2. Как вы думаете, что он увидел?

Дайте угадаю. Скорее всего, вы думаете: «Какая чушь. Я получаю яркое пятно справа на проекционном экране, если открыта правая щель, и яркое пятно слева на проекционном экране, если открыта левая щель. Значит, если открыты обе, ясно, что я увижу два ярких пятна, одно справа и одно слева».

Как бы не так! Получается совсем другое – по крайней мере, если щели у вас достаточно малы и расположены достаточно близко друг к другу, а пучок света подается аккуратно. Вместо одного яркого пятна от правой щели и другого яркого пятна от левой Юнг увидел очень странный и сложный узор. Раньше он с таким не сталкивался.

Если вы похожи на обычного физика XVIII века, то, скорее всего, смотрите на последнюю картинку и спрашиваете себя: «Это еще что за чертовщина? Бессмыслица какая-то. Вот я открываю одну щель и получаю пятно на соответствующей стороне проекционного экрана – и это нормально. Но потом я открываю обе щели и вдруг получаю странную череду полос, расположенных через равные промежутки. Что происходит?!»

Изначально этот опыт получил название «эксперимент на двух щелях» и прославился именно потому, что вызвал у всех такую же реакцию, как только что у вас, – он дает странные результаты. Однако, как ни поразительно, Томас Юнг придумал им объяснение.

Когда открыты обе щели, мы ожидаем увидеть просто два пятна света. Но на деле видим гораздо более сложный узор. Юнг заключил, что такое возможно, только если свет из щели 1 смешивается со светом из щели 2 таким интересным образом, что на экране создается неожиданный узор.

Приведу аналогию. Помните классический школьный опыт, когда смешивают соду и уксус, чтобы получилась пена? Если бы вы не знали заранее, что сода с уксусом вступают в реакцию, вы бы ожидали, что смесь соды с уксусом будет выглядеть как скучная горка мокрого порошка. Буквально как сумма частей.

Но выходит иначе: смесь шипит и пузырится – и тоже получается непонятная фигня, совсем как на экране у Томаса Юнга. А раз вы видите отнюдь не горку мокрого порошка, значит, между двумя ингредиентами произошло какое-то взаимодействие. Точно так же непонятная фигня на проекционном экране Юнга подсказала ему, что произошло какое-то взаимодействие между светом из щели 1 и светом из щели 2.

Каким-то образом свет смешивался и порождал результат, который был больше суммы его частей – или по крайней мере отличался от этой суммы.

Физики не любят простые слова вроде «смешиваться», они предпочитают говорить, что свет из щели 1 «интерферирует» со светом из щели 2. Так что строго научный термин, обозначающий непонятную фигню на экране Юнга, – «интерференционная картина».

Поэтому утверждение «Я прорезал две дырки в экране, и напротив него получился вот такой глючный узор из непонятной фигни!» переводится на язык физики как «Профессор, я повторил эксперимент Юнга на двух щелях и смог получить на проекционном экране интерференционную картину. Можно мне диплом? Сил нет выплачивать долги за учебу».

Но Юнг на этом не остановился. Сообразив, что непонятная фигня на проекционном экране вызвана интерференцией между двумя щелями, он сумел еще и предсказать, какие узоры получатся от разных источников света и от разных щелей.

Точные результаты потребуют математики, в которую нам некогда углубляться, но пока скажем, что ведущие умы сочли опыт Юнга чертовски впечатляющим. И лет сто это был самый лучший ответ на вопрос «Откуда взялась эта непонятная фигня на моем проекционном экране?».

Но потом пришел Эйнштейн и все испортил.

Эйнштейн гордо объявил миру, что сделал крайне неприятное открытие: «Эй, ребята, помните, как Макс Планк доказал, что энергия состоит из отдельных порций и на самом деле не непрерывна? Жереми пишет про это в конце „Введения“. Так вот, я только что доказал, что свет тоже состоит из отдельных порций. И назвал их „фотоны“. Вот, собственно, и все, а теперь переписывайте свои учебники на здоровье, болваны».

На первый взгляд неочевидно, почему это подрывает объяснение, которое Юнг дает своему опыту с двумя щелями. Вероятно, вы думаете: «А что такого? Может, фотоны из щели 1 и фотоны из щели 2 смешиваются или отскакивают друг от дружки каким-то особым способом, вот и получается такой узор».

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Оговорка: речь идет о цепи событий, которые породили иудейскую, христианскую и мусульманскую картины мира, преобладающие на современном Западе. Из этого не следует, что переход от анимизма к политеизму и от политеизма к монотеизму – процесс сколько-нибудь универсальный. В наши дни существует множество культур, придерживающихся анимистических воззрений.