– Господин Бор, я действительно не ученый, но увлекаюсь современной наукой. Стараюсь быть в курсе главных открытий. Как самый авторитетный специалист в области квантовой физики, лауреат Нобелевской и всевозможных премий объясните: почему эта наука вызывает у ученых такие невероятно эмоциональные дискуссии?
Ученый вздохнул и неопределенно повел плечами.
– Потому что с точки зрения нашего обыденного, житейского опыта ее суть абсолютно непонятна. Это такой странный мир чудес и парадоксов, который невозможно легко и ясно интерпретировать.
– Невозможно – потому, что мы провели пока недостаточно исследований и мало о нем знаем?
Бор улыбнулся.
– Вероятно, сами того не подозревая, вы сформулировали позицию моего замечательного друга и коллеги Альберта Эйнштейна. Он уже много лет всеми способами старается доказать, что никаких чудес и странностей в квантовом мире нет. Просто мы пока не все о нем знаем. Но когда-нибудь узнаем и всему найдем объяснение. «Бог не играет в кости!» – говорит Альберт.
– А что вы ему на это отвечаете?
– Уважаемый Эйнштейн. Перестаньте наконец указывать Богу, что ему делать.
Мы втроем рассмеялись.
– Все это, конечно, шутки. Мы тепло относимся друг к другу. Но Эйнштейн при всем его безграничном интеллекте в данном случае ошибается. Квантовый мир полон чудес не потому, что мы его пока не до конца понимаем. А потому (как доказывают все эксперименты), что эти чудеса – это и есть странные, причудливые базовые законы природы.
– Не могли бы вы вкратце рассказать об этом?
Бор вздохнул, посмотрел на часы. До рождественского обеда еще было время. Как учтивый хозяин он понял, что от моих расспросов ему не отвертеться.
– Хорошо. В начале нынешнего века ученые еще смутно представляли себе строение атома. Но даже из того немногого, что они знали, вытекало, что законы ньютоновской, классической физики внутри атома не работают. Если бы они работали, то атом мгновенно рассыпался бы: электрон упал бы на ядро, была бы невозможна передача энергии от одного атома к другому и так далее. Великий немец Макс Планк предположил, что фотоны света и электроны испускают энергию пучками. Как это происходит, мы и сейчас до конца не понимаем, но базовые уравнения энергии при такой гипотезе начинают идеально сходиться. Планк рассчитал и удивительную постоянную, которую назвали его именем. Это сверхмалая величина – порядка одной десятимиллиардной от размера атома водорода. Оказывается, это мельчайшая неделимая частичка нашего мира. Чего-то еще меньшего во Вселенной не может существовать. Как выяснилось позже, постоянная Планка присутствует почти во всех квантовых уравнениях. Затем Эйнштейн рассчитал, как с помощью этих пучков энергии свет выбивает атомы с поверхности металла (благодаря этому, кстати, мы делаем фотографии).
– Пока более-менее понятно. Что было дальше?
– Дальше была огромная серия мелких шажков, открытий, которые делали я, де Бройль, Дирак, Паули и другие. В завершенную теорию квантовая физика превратилась в 1926 году, когда произошли два ключевых события. Немецкий математик Шрёдингер, катаясь зимой на горнолыжном курорте, в перерыве между спусками записал на бумажке формулу волновой функции света. Это важнейшее математическое уравнение квантовой физики. Оно не длинное, но полностью описывает поведение электрона в динамике его движения. Другой немецкий ученый, Гейзенберг (мой ученик: работал в Копенгагене моим аспирантом), сформулировал принцип неопределенности. С этого момента фундамент квантовой физики стал законченным, неизменным.
– Господин Бор, у нас слишком мало времени, чтобы вы могли посвятить меня в тонкости этой науки. И все же объясните: если мы до конца не понимаем механизмов ее действия, то почему мы уверены, что она истинна? Представьте себе автомеханика, который говорит: «Я знаю все об автомобиле. Его подробнейшее устройство и каждую запчасть. Единственное, чего я не понимаю, – только то, почему эта штука ездит». Неужели мы находимся в такой же ситуации?
– Забавная аналогия. И да, и нет. Квантовая механика имеет самый мощный и красивый математический аппарат из всех наук. На формулах нам понятно абсолютно все, до мелких деталей. Когда мы ставим реальные физические эксперименты, правильность квантовых уравнений каждый раз полностью, блестяще подтверждается. На основании квантовых законов в ближайшем будущем создадут много новых, отлично работающих приборов, которые произведут революцию в промышленности.
Здесь Бор был полностью прав. Во второй половине ХХ века практически вся электроника будет производиться, опираясь на квантовые эффекты, – от лазеров и аппаратов МРТ в медицине до телевизоров и CD-дисков в развлечениях на дому. В этом смысле теорию ждал тотальный успех.
– Если все отлично работает, то обо что же так упорно ломают копья ученые?
– Как я уже сказал, квантовый мир полон парадоксов. Самый сложный, непонятный вопрос заключается в том, как правильно интерпретировать, объяснить их.
– Что это за чудеса? Опишите их хотя бы в общем.
– Их много. Рассказать обо всех – времени не хватит. Но о некоторых – попробую. Возьмем тот же принцип неопределенности Гейзенберга. Наблюдая конкретную частицу – например, фотон или электрон, – мы можем знать только одно из двух: или ее координаты, или ее импульс.
– Что это значит?
– Проще говоря, если мы знаем то, где находится электрон, то мы не можем знать, куда и с какой скоростью он движется. Если же мы знаем, в какую сторону и с какой скоростью он летит, мы не можем знать, в какой точке он сейчас находится. И дело не в том, что у нас недостаточно совершенные приборы. Это закон природы. Он вытекает из формулы волновой функции света.
– Мне это напоминает детскую сказку о дудочке и кувшине. Когда вы играете на дудочке, листья поднимаются, и вы видите все ягоды, но вам не во что их собрать. Когда вы получаете кувшин, то он бесполезен: стебли опускаются, и вы не можете найти ягоды. Странно, что с электронами так же.
– Странно – не то слово. Впрочем, это хоть и важная, но не самая большая загадка.
Электрон ведет себя одновременно и как частица, и как волна. В нашем обыденном понимании должно быть либо то, либо другое. Когда мы «видим» его как волну, сам электрон может с разной вероятностью находиться в разных ее частях. Вроде звучит не страшно, но это не то, к чему мы привыкли. Представьте себе, что вы потеряли в комнате теннисный мячик. С вероятностью в 70 процентов он закатился под кровать, 20 процентов – лежит на столе, 10 – застрял наверху, между книжными полками. Вы проверяете и находите мячик в одном из этих трех мест. С электроном все иначе. Он один, как и мячик. Он не может дробиться, он, как и мячик, имеет размер. Несмотря на это, он физически на 70 процентов находится целиком, полностью в одной части атома, на 20 процентов – в другой, на 10 – где-то далеко в космосе (если его функция это позволяет). Такое явление называется «суперпозицией». Электрон находится одновременно в нескольких разных местах до того момента, когда мы проведем измерение, наблюдение. Как только прибор (датчик) на него «смотрит», электрон мгновенно превращается из волны в частицу, которая теперь находится только в одном, четко определенном месте. Это называется «коллапсом» волновой функции.
– Это действительно странно. Но можно ли это назвать чудом?
– Разумеется, можно. Понимаете, сам акт наблюдения за частицей мгновенно меняет ее состояние. Но даже это было бы еще полбеды. Чем более изощренные эксперименты мы ставим, тем страннее все становится. Представьте себе, что за частицей наблюдает работающий прибор, но который не может сообщить информацию о ней куда-то дальше, во внешний мир. Например, прибор стоит в темной комнате, где нет ученых, и его работа не записывается. То есть акт наблюдения есть, но нет возможности прибору куда-то передать информацию о том, что именно он «увидел». В этом случае коллапса электрона не происходит. Ему «неинтересен» прибор, который ни о чем не «проболтается» людям. Или другим приборам, но обязательно связанным с внешним миром.
– Ну, это уже совсем мистика какая-то.
– Еще нет. Есть даже более странная вещь, ставящая нас, ученых, в полный тупик. Представим себе лабораторию, в которой летают электроны и за ними наблюдают два прибора. Оба этих прибора записывают увиденное. Далее, спустя час в лабораторию заходит ученый. Он просматривает запись первого прибора и стирает, не посмотрев запись второго прибора. Оказывается, что в первом случае коллапс электрона час назад произошел, а во втором – нет. Если он сотрет, не просмотрев, обе записи, то окажется, что коллапса не было в обоих случаях. Электрон не превратился в частицу ни там, ни там. Вы понимаете, что это значит? Электрон, пролетая через щель под датчиком, всегда безошибочно знает заранее (!), увидит человек запись его пролета в будущем или нет. И ведет себя соответствующим образом. Вот что это за дьявольщина такая?
– Если честно, звучит пугающе. Выходит, мы вообще ничего не знаем о природе нашего мира.
– Выходит, что так. В квантовом мире нет привычного нам понятия причинности. Когда мы бьем ракеткой по мячу, легко рассчитать, как и куда он полетит. Но с электронами все не так. Зная текущее состояние частицы, нельзя ничего точно сказать о ее прошлом – есть лишь набор разных вероятностей того, какой она была раньше и откуда она в эту точку могла прилететь. То есть не в том дело, что мы с вами плохие детективы. Природа запрещает нам это знать. Нет и понятия определенности: далее из этой точки один конкретный электрон может полететь куда его душе угодно. Мы лишь знаем вероятность. Если мы хотим отследить тысячу похожих электронов, то можно заранее рассчитать, что семьсот из них полетят прямо, двести налево, сто направо. Но когда мы имеем лишь один электрон, он летит куда ему угодно. Выходит, весь наш мир хаотичен, неопределенен по своей природе. Именно это так терзает Эйнштейна. Он отказывается в это верить. И напоследок: в квантовом мире мы не можем быть уверенными в стреле времени. Вполне может быть, что электроны свободно путешествуют как из прошлого в будущее, та