Другие теоретики, такие как физик австрийского происхождения Вольфганг Паули, отдавали предпочтение волнам. Для них мир был чем-то вроде водоема во время ливня, покрытого кругами, которые появлялись, распространялись и сливались. «Водоем» — это невидимое для нас электромагнитное поле, которое заполняет пространство вокруг. Волны всех видов бороздят его вдоль и поперек: длинные, короткие, высокие, низкие. Теоретики применяют квантовую механику к каждому типу волн и суммируют эту удивительную неразбериху. В соответствии с такой точкой зрения то, что мы воспринимаем как «частицы», — это не крупинки материи, а единицы волновой энергии.
Как ни удивительно, подходы, основанные на частицах и волнах, приводят к получению одних и тех же уравнений. Нет никакой необходимости разграничивать их. Свет, да и не только его, а любую форму энергии и материи, можно считать имеющим корпускулярную или волновую природу, а предмет можно называть как физикой частиц, так и квантовой теорией поля. (Даже сейчас физики используют эти названия как синонимы.)
Достижением в значительной мере было взаимоувязывание этого с теорией относительности. Создатели квантовой теории поля включили в нее не всю теорию относительности — они оставили данное Эйнштейном объяснение гравитации на потом и сосредоточились на том, чтобы частицы или волны не превышали скорость света. Это оказалось неожиданно сложным делом. Как подчеркивал Паули, движущаяся частица или волна может прекратить существование в любой момент и передать свою энергию новым частицам или волнам, сводя на нет ваши попытки отследить ее и тем более узнать, нарушает ли она установленное ограничение скорости. Вместо введения ограничения как такового Паули сконцентрировался на последствиях превышения скорости, подобно полицейскому, который выписывает вам штраф не на основании показаний своего радара, а на основании того факта, что вы добрались до дома быстрее, чем предполагалось.
Представьте, что пространство разделено на две части: на такую, где сигнал может прийти в течение определенного времени, и такую, где это невозможно. Если вы посылаете сигнал, а предполагаемый получатель находится в первой части, то он должен получить его. Если же получатель находится во второй части, то просто забудьте о сигнале. Физики называют это правилом «микропричинности». Под «причинностью» понимается тот факт, что подача сигналов является хрестоматийным примером причинно-следственной связи. Микропричинность оставляет за кадром, что именно является носителем сигнала: частица, волна или что-то еще. Существует определенное расхождение во мнении, можно ли считать микропричинность основным уроком, почерпнутым из теории относительности, однако альтернативы также делят пространство на зоны, которые свет либо может, либо не может достичь.
Все эти особенности квантовой теории поля отражали интуитивную приверженность физиков локальности. Обе конкурирующие картины мира, дававшие начало теориям, — частицы или волны — были локальными. Частицы — это локализованные кусочки материи, которые взаимодействуют друг с другом только при прямом контакте или через посредство других частиц. Волны в поле передают силы из одного места в другое в результате непрерывного движения без каких-либо сверхъестественных нелокальных прыжков. В самом деле, единственная причина, по которой Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл ввели понятия электрического и магнитного полей, как было отмечено в главе 2, заключалась в стремлении сохранить локальность. Микропричинность или любое другое эквивалентное правило гарантирует, что частицы или волны движутся с конечной скоростью, и, таким образом, обеспечивает изолированность отдельных частей пространства.
Фраза «физики разработали квантовую теорию поля» подразумевает, что они знали, что делают. На деле они спотыкались сплошь и рядом и глубоко сомневались в отношении того, в ту ли сторону идут. Объединяя элементы квантовой механики и теории относительности, физики совершали бракосочетание под дулом пистолета с непредсказуемыми последствиями. И по сей день они пытаются постичь, что именно квантовая теория поля говорит им о мире. Как мы видели в предыдущей главе, обычная квантовая механика не является образцом прозрачности во всех смыслах, однако она по крайней мере довольно проста с точки зрения математики — для проведения вычислений не требуется даже калькулятор. Квантовая теория поля — другое дело. Она заслужила репутацию самого математически сложного предмета в науке. Даже экспертам приходится сражаться с ним изо всех сил. Джо Полчински из Института теоретической физики в Санта-Барбаре говорит, что он дважды прослушал курс теории, получил степень доктора философии[19], но так до конца и не освоился с ним.
Выяснять смысл физики — дело философов, однако жуткая сложность квантовой теории поля отпугивает большинство из них. Одним из тех, кто не испугался, является Ханс Халворсон из Принстонского университета. Больше всего на свете ему нравится продираться сквозь математические дебри. Он из тех, кто самостоятельно рассчитывает свои налоги каждый год да еще сетует, что это слишком просто. «Когда я в аспирантуре начал влезать в квантовую теорию поля, мне было так интересно, — вспоминает он. — Это нескончаемый поток проблем». Любовь к разгребанию алгебраических нагромождений — именно то, что нужно для этого предмета. Если уж на то пошло, перед Халворсоном, в отличие от других философов, стоит противоположная проблема: он борется с понятийным мышлением, краеугольным камнем философии. Однако тот факт, что построение философской базы дается нелегко, лишь подзадоривает его — это вершина, которую он решил покорить. «Я склонен подходить к вещам чересчур математически, — говорит он. — Один математик как-то посоветовал мне: “Оторвись ты от этих формул на минуту”. Математик называется!.. Самое трудное — интерпретировать смысл математики».
Прощайте, частицы
Это означает со всей очевидностью, что наш мир не состоит ни из частиц, ни из полей, по крайней мере в той форме, в которой их обычно представляют: как структуры, олицетворяющие принцип локальности. Физики по-прежнему говорят о «квантовых частицах» и «квантовых полях», но это звучит как «общеизвестный секрет» или «оплачиваемый доброволец». Под определением «квантовый» понимается «подобная частице, но не частица» или «имеющее совершенно непохожие на поле характеристики».
Возьмем для начала подход с точки зрения частиц. В соответствии со старой квантовой механикой положение и скорость частицы неопределённы. Вы не знаете, где она окажется или как быстро будет двигаться. Но по крайней мере она находится где-то. Это правило перестает выполняться, как только вы принимаете во внимание теорию относительности, что приходится делать, если скорости приближаются к скорости света. Логика ведет нас назад к ключевому факту квантовой неопределенности. Скорость и положение частицы не являются независимыми величинами. Если известно рассеяние возможных скоростей, то можно рассчитать рассеяние возможных положений, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, и наоборот. Теория относительности нарушает это преобразование, требуя, чтобы принцип неопределенности был независимым от наблюдателя. Теперь при преобразовании скорости в положение оказывается, что разные позиции больше не являются взаимоисключающими. Одну и ту же частицу можно обнаружить одновременно в двух местах или найти частицу в одном месте, а ее энергию где-то еще. Объединение квантовой механики с теорией относительности нарушает локальность в том аспекте, который был для Эйнштейна принципиальным: оно нарушает положение о том, что все вещи имеют свое место.
Соединение относительности с нелокальностью означает полный переворот. Эйнштейновское ограничение космической скорости должно было покончить с нелокальностью, а не подкреплять ее. «Увидев это, мы говорим: “Ну вот, а нам казалось, что все позади”, — замечает Халворсон. — Все считают, что относительность устраняет нелокальность, а здесь она, наоборот, приводит к нелокальности».
В проведенном в 1949 г. авторитетном анализе пионер квантовой теории Юджин Вигнер и его студент Тед Ньютон показали, что частица может иметь однозначное положение, только если теория относительности не применяется при определении положения. В этом случае, однако, наблюдатели должны расходиться во мнении о том, на что похожа Вселенная, и, таким образом, привносить в физику опасную субъективность. Это слишком большая жертва, да к тому же она не решает проблему. Теперь наблюдатели должны расходиться во мнении не только о положении частицы, но и о существовании этого положения в принципе. Одни могут сужать место положения частицы до ограниченной области, а другие предполагать ее материализацию в любой точке Вселенной. Те же наблюдатели, которые все же обнаруживают частицу в некотором четко определенном месте, могут увидеть, как она неожиданно перепрыгивает в отдаленную область Вселенной — эффект, который, если он реален, должен позволить инженерам создать сверхсветовую коммуникационную систему. Можно, конечно, сказать: давайте оставим попытки определить точное положение частиц и просто пересчитаем их. Но даже такая скромная задача окажется невыполнимой, поскольку разные наблюдатели будут давать разные ответы.
В общем, квантовая теория поля говорит, что поиск частиц сродни игре в наперстки. Их невозможно засечь, они могут исчезать из одного места и появляться в другом, нельзя получить даже согласованной оценки их количества. Эти проклятые штучки начинают казаться сплошным надувательством. Большинство физиков и философов пришли к выводу, что маленькие бильярдные шарики просто не могут существовать в нашей Вселенной. «Нет ничего, что действительно можно привязать к определенному месту», — говорит Халворсон.
«Частицы», которые описываются в уравнениях квантовой теории поля, фактически являются разновидностью волны. Такие «частицы» не существуют в каком-то одном месте, они распределены по всему полю подобно тому, как звук, извлеченный с помощью гитарной струны, не существует в каком-то ее месте, а распространяется по всей длине. Единственная причина для использования термина «частица» заключается в том, что это образование представляет дискретный сгусток энергии и импульса