Тем не менее налицо многочисленные аспекты «ящика Пандоры». Во-первых, КТ не поддается логике. Причем настолько, что один из ее основателей Нильс Бор сказал: «Те, кто при первом знакомстве с квантовой теорией не испытывают шока, по-видимому, не смогут ее понять». Полвека спустя известный теоретик Ричард Фейнман высказался еще категоричнее: «Можно с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику».
И дело не в том, что уравнения были сложными или математически трудоемкими – вопрос был в самих концепциях. Фейнман просто выразил мнение, что даже для приблизительного понимания КТ нужно отказаться от основных представлений о реальности. Приведем пример.
Если направить фотон в сторону сенсора, то его появление можно обнаружить без труда. Однако мы можем поставить на пути фотона светоделитель или двустороннее зеркало, чтобы при отражении он мог попасть в сенсор по одному из двух маршрутов (назовем их маршрутами А и Б). Интересно, что другие датчики, установленные на этих маршрутах, показывают, что до попадания в конечный сенсор фотон не проходил маршрутом А и не отметился на маршруте Б – он не проходил ни по одному из путей. Фотон также не делил себя надвое, чтобы пройти оба маршрута одновременно, и он не мог пройти, не используя ни один из путей. Каким-то образом ему удалось пройти, минуя всю нашу схему.
Это единственные пути, которые мы можем объяснить логически. Если мы живем в рациональном мире, то фотон должен демонстрировать одну из четырех возможностей, других просто не существует. Однако, как это ни удивительно, фотон демонстрирует нам что-то еще – помимо выбора A, Б, обоих маршрутов и отсутствия того и другого.
Сегодня для физиков это стало привычным делом. У них даже имеется название такого нелогичного поведения, когда объекты действуют вне выбора, навязанного здравым смыслом. Они говорят, что фотон находился в состоянии суперпозиции, то есть он мог использовать все четыре возможности одновременно, даже если они кажутся нам взаимоисключающими.
Помимо того, что все это представляется невозможным, наше наблюдение – или даже осведомленность нашего разума, меняет поведение физических объектов. Таков был первый недвусмысленный намек, что наблюдатель играет бо́льшую роль, чем роль простого свидетеля природных зрелищ.
Ящик Пандоры от КТ раскрывается снова и снова. Поскольку квантовые явления, как оказалось, происходят мгновенно и им не нужен фактор продвижения во времени (даже со скоростью света), чтобы попасть из одной точки в другую, поиск объяснений неизбежно указывает на идею всеобщей взаимосвязанности. Такой подтекст вне времени и расстояния напоминает нам о мистических учениях индуизма и буддизма. Многие писатели поспешили заявить, что наука и религия стали теперь единым целым и пришли к согласию относительно основ мироздания. И хотя такие философские или метафизические размышления вполне уместны или даже по своей сути не являются заблуждением, огромное число документальных телефильмов, книг, художественного кино и публикаций в прессе демонстрирует серьезное непонимание КТ. Попросту говоря, они часто толкуют все неверно.
В качестве лишь одного примера обратимся к ленте 2004 г. с кассовым сбором в 10,6 миллиона долларов. Центральной темой фильма «Покрытое тайной: Так что же мы знаем?!» был избран аспект единства КТ. В фильме были интервью с экспертами по квантовой теории, отдельные из которых делали глупые, ничем не схожие с реальностью заявления. Один из таких экспертов говорил, что любой человек, исходя из принципов КТ, способен определять свое будущее. В действительности верно противоположное: все «предсказания» будущих событий с помощью КТ являются вероятностными и, следовательно, строго статистическими. Никто не может сознательно управлять внешними физическими событиями, которые на него влияют, – то есть теми, которые по своей природе лежат за пределами человеческого волеизъявления. Например, валуном, катящимся с холма по пути следования автомобиля, и точно так же мы не можем определить, выпадет орел или решка, когда бросаем монету.
Учитывая важность квантовой теории для нашей книги и тот факт, что само стремление объяснить ее странности породило большое количество популярной чепухи на эту тему, нам стоит подробнее остановиться на этой проблеме. Необходимо узнать, с чего все началось, как эволюционировало и как благодаря КТ удалось разобраться в тайнах природы, ранее считавшихся неразрешимыми, и затем понять, как все это подтолкнуло нас к новым открытиям, с которыми мы познакомимся в данной книге.
Все началось со света, то есть c излучения нагретых объектов[6]. Если снять спектр горячего объекта, то можно получить различные по длине волны исходящей из него энергии. Сюда входят волны видимого света, например сопоставимые с цветом раскаленной железной кочерги, а также невидимые волны инфракрасного излучения. В соответствии со свойствами волн, составляющих разные части света, и законами классической физики о распределении тепловой энергии, любой горячий объект должен испускать определенное количество слабого красного и инфракрасного излучения, большее количество высокоэнергетичного зеленого света и почти бесконечное количество коротковолнового высокоэнергетичного излучения в фиолетовом и особенно в ультрафиолетовом диапазоне.
Но ожидаемое не происходит. Вместо этого на определенной длине волны излучается пиковое количество света, точный цвет которого зависит исключительно от температуры объекта. Классическая физика была не способна такое объяснить.
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк нашел способ математического объяснения экспериментальных результатов. Он высказал предположение, что атомы светящегося объекта поглощают и излучают свет различных частот, кратных некоторым фундаментальным единицам. И представил понятие «кванта» энергии (или ее определенного количества, производного от латинского quantum – «сколько»), заложив при этом первую веху в квантовую теорию.
В 1913 г. Нильс Бор применил понятие «дискретных квантов» для объяснения того, как атомы продолжают существовать, когда классическая физика настаивает на их самоуничтожении. Датский физик показал: когда электроны движутся по своим круговым орбитам, то по классическим законам они должны излучать электромагнитные волны каждую триллионную долю секунды. Потеря энергии должна вскоре заставить их опускаться по спиральной траектории к протону в центре атома. Но – к счастью для нашего существования в качестве человеческих тел на стабильной планете – этого не происходит.
Как вы, наверно, помните из физики для старших классов, свет появляется в результате перехода или сдвига электрона, вращающегося вокруг ядра атома, к его центру – он начинает двигаться по укороченной орбите с выделением энергии. Чтобы представить себе это, достаточно посмотреть на планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Если Земля неожиданно получит дополнительную энергию, она может ее использовать на преодоление солнечной гравитации и перепрыгнуть на бо́льшую орбиту. В зависимости от количества этой «дополнительной» энергии новая орбита может отстоять всего на несколько километров от Солнца от нашей прежней орбиты. Или может сместиться на миллионы километров. Или на десятки миллионов. А может оказаться где-то посередине.
Предполагалось, что с электронами происходит то же самое. Но на основании квантового подхода Планка Бор предположил, что каждый электрон должен оставаться на дискретной, с фиксированным расстоянием от ядра орбите. Он предположил, что электрону «разрешено» находиться на одном или на другом определенном от ядра атома расстоянии, но не между ними [7].
Получив долю энергии, электрон перешел бы на бо́льшую орбиту, но это был бы специфический переход. И для него он должен поглотить совершенно определенное количество (или квант) энергии, не меньше и не больше. Данное количество энергии затем будет вычитаться из ее источника, и это оставит характерный черный пробел в ее спектре.
Получив энергию, электрон может затем ее отдать, перейдя до более низкого орбитального состояния, одновременно излучая столь же определенное количество энергии – и, следовательно, определенную частоту излучения. Дискретные биты (кванты) энергии были определены через h – постоянную Планка. Все другие переходы или «скачки» энергии должны быть кратными этому числу.
Планковская единица энергии – не произвольная величина, а константа для всего мироздания. Планк самостоятельно определил ее точное значение по результатам своих наблюдений и экспериментов. Она стала новой фундаментальной единицей в физике[8].
Но с самого начало всё это представлялось довольно-таки странным. Представьте себе, что так же ведут себя небесные тела. Что Луна вращается вокруг Земли на своей теперешней орбите или на расстоянии в два или в три раза большем, но не в промежуточном положении. Все это происходит не из-за воздействия на нее других планет или объектов… а просто так. А теперь представьте, что она перескакивает с одной из этих орбит на другую за нулевое время. И при этом ее движение не происходит через промежуточное пространство. Однако именно так поступают электроны, совершая дискретные прыжки, непонятным образом избегая любого перемещения в пространстве и не затрачивая на это времени.
Хотя всё прояснилось: и спектры горячих объектов, и продолжительное существование атомов можно было объяснить. Однако за это пришлось заплатить свою цену: теория бросала вызов рациональности и перечеркивала накопленный опыт – даже самому Планку далось это нелегко. Спустя годы он сделает признание: «Новая научная истина побеждает не потому, что убеждает оппонентов, заставляет их прозреть, а побеждает она потому, что ее оппоненты в конце концов умирают, и вырастает новое, знакомое с ней поколение».
Введение Планком понятия кванта в 1900 г. всё изменило, но это было только начало. Спустя всего пять лет, в 1905 г., Эйнштейн применил квантовую теорию к самому свету. Он заявил, что свет, о волновой природе которого было давно известно, также состоит из сгустков или дискретных пакетов энергии – по сути, частиц света, называемых