и света увеличивалось количество фотонов, испускаемых в единицу времени при том же количестве энергии в каждом фотоне. Затем, спустя всего несколько месяцев, Эйнштейн приумножил свои успехи, установив, что свет можно рассматривать и как волну тоже. Свет и в самом деле существовал в двух мирах.
Эйнштейна уже ничто не могло остановить. Представив эмпирические факты, подтверждающие существование атома, он раз и навсегда разрешил спор на эту тему и «санкционировал» применение статистической физики. Вишенкой на торте стала его теория относительности и знаменитое уравнение Е = mc2. Физикам понадобилось время, чтобы свыкнуться со всеми этими открытиями, так что прославился Эйнштейн не сразу. Единственным быстрым результатом его трудов стало повышение по службе в патентном бюро до технического эксперта второго класса.
Впрочем, как только физики догнали химиков и вдумались в положения атомной теории, они довольно скоро поняли, что все эти микроскопические кирпичики природы – элементарные частицы, атомы и молекулы – не подчиняются законам Ньютона, а нарушают их. Теряя энергию, вращающиеся вокруг ядра электроны не падают на него, как следовало бы ожидать, исходя из законов Ньютона, а остаются на своих орбитах – и это был неоспоримый факт. Но почему?
В 1925 и 1926 годах группа физиков, куда входил Вернер Гейзенберг, работавший в Геттингенском университете и часто посещавший Нильса Бора в его копенгагенском институте, продолжала развивать квантовую теорию, стремясь пролить свет на три великие тайны – излучение черного тела, фотоэлектрический эффект и стабильность движущихся вокруг ядра электронов. Нравилось это физикам или нет (а многим, в том числе и Планку с Эйнштейном, не нравилось), но их выбило из ньютоновского детерминистского мира, унесло с того видимого и осязаемого физического «слоя», где мы все обитаем и где всему есть одно универсальное объяснение, и они попали в более глубокий слой – в тайный, полный парадоксов, статистический, недетерминированный мир квантовой механики. Черно-белый мир четких и ясных ответов сменился миром, где ответы имеют множество оттенков, – параллельно существующим слоем с другим протоколом.
Возьмем для примера отражение света. Отражается всего 4 % попавших на стекло фотонов, а остальные поглощаются. Но какие из них отражаются, от чего это зависит? Многолетние исследования с использованием самых разных методов дали вероятный ответ – все дело в случае. Будет ли фотон отражен или поглощен – чистая случайность. «Значит ли это, что мы дожили до столь кошмарных времен, когда физика сводится к вероятностям, а не к удобным прогнозам. Да, такова нынешняя действительность… Вопреки условию, которое поставили философы: «Наука требует, чтобы при соблюдении одних и тех же условий эксперимента результаты были одинаковы». Ничего подобного. Иногда так и получается, а один раз из двадцати пяти – нет… непредсказуемо, совершенно случайно… вот как это происходит[15]», – говорил Ричард Фейнман. Мир неопределенности. В те времена это злило физиков. Даже Эйнштейн хотел бы захлопнуть дверь в мир без определенности, которую сам же и распахнул. Он много и мучительно размышлял о том, что все это значит для якобы детерминированной вселенной и причинно-следственных закономерностей; тогда-то он и произнес свою крылатую фразу: «Бог не играет в кости со вселенной». Однако если физики претендовали на звание ученых, они должны были расстаться со своими предубеждениями и идти по тому пути, который им указывали их открытия.
Когда мы говорим о ненормальном квантовом мире, нельзя упускать из виду, что сами мы обитаем в макромире ньютоновской физики. Здравый смысл – то есть повседневные физические законы, на которых зиждется макромир, – едва ли поможет нам в квантовой вселенной. Ничего похожего на нее нам раньше не встречалось. Свои интуитивные знания оставьте дома. Они вам не понадобятся и даже помешают. Читая курс физики, Фейнман начал лекцию о квантовом поведении с такого остроумного предупреждения:
До сих пор вы воспринимали все, что видели, неадекватно. Не полностью. Поведение объектов в столь мелком масштабе совершенно иное. Они ведут себя не как частицы. И не как волны… [Электроны] ведут себя отлично от всего, что вы видели раньше. Упрощает дело по крайней мере один факт – в этом отношении поведение электронов и фотонов абсолютно одинаково. То есть и те, и другие сходят с ума одинаково. Поэтому, чтобы оценить их поведение, требуется богатое воображение, ибо нам надо описать нечто, не похожее ни на что нам известное… Это абстракция в том смысле, что это далеко от практического опыта[16].
Далее он говорит, что, если вы хотите понять суть физического закона, важно учитывать этот специфический момент, «так как это характерная особенность всех частиц в природе без исключения».
Субмикроскопический квантовый мир скрыт от наших глаз. Стало быть, узнать что-либо о нем можно только с помощью некоторых измерительных взаимодействий. В частности – кое-каких средств, применяемых в нашем макромире, который, в свою очередь, состоит из атомов, способных реагировать с измеряемыми частицами и вносить возмущения, в то время как эти частицы, ничего не подозревая, заняты собственными делами. Из-за таких возмущений динамика системы будет развиваться совсем по другому пути, чем до того, как было проведено измерение. Короче говоря, явно вырисовывалась неизбежная проблема, связанная с измерениями. Вторжение в квантовый мир сулило немалые трудности и требовало нового мышления.
Итак, приступим: оказывается, как и догадался Эйнштейн, свет ведет себя и как волна, и как поток частиц. Через несколько лет выяснилось, что это справедливо и для вещества – электроны тоже обладают свойствами волн и частиц. Вскоре физики согласились с тем, что объекты макромира (к примеру, обеденный стол), которые мы воспринимаем как сплошные монолиты, а не как огромное множество разделенных атомов, – это всего лишь результат смоделированного усредненного процесса «в по существу своему прерывном мире», как выразился Иоганн фон Нейман, занимавшийся прикладной математикой, физикой и многими другими науками. «Человек обычно сразу апперцепирует только сумму многих квадрильонов элементарных процессов, так что истинная природа единичного процесса оказывается полностью завуалированной все нивелирующим законом больших чисел»[17], – продолжает он. По «нивелирующему закону больших чисел», движение отдельных частиц компенсируется в общей картине, и именно по этой причине стол не приплясывает, а ровно стоит на полу. Однако устойчивый стол, который мы видим, – это иллюзия, условная репрезентация, созданная нашим мозгом для того, чтобы засвидетельствовать существование стола. Это очень качественная иллюзия, она несет верную информацию и позволяет нам нормально жить в этом мире.
Австрийский физик Эрвин Шрёдингер, хозяин знаменитого «кота в ящике», тоже хотел упрочить детерминистский мир, где все всегда чем-то обусловлено. Он составил уравнение, впоследствии получившее название уравнения Шрёдингера, – «закон», описывающий поведение квантовой волны и ее динамического изменения во времени. Несмотря на его обратимость и детерминистский характер, этот «закон» не годится для описания состояния всей системы в целом. В нем не учитывается корпускулярная природа электрона – свойство, которое Шрёдингер пытался обойти. По этому закону нельзя определить точное положение электрона на орбите в любой заданный момент времени. Точные координаты электрона в определенный момент времени – так называемое квантовое состояние – можно только предположить, исходя из вероятности события.
Чтобы узнать, где именно находится электрон, надо провести измерения, и вот тут-то для ортодоксальных детерминистов и начинаются все неприятности. Как только измерение выполнено, квантовое состояние, можно сказать, аннулируется – в том смысле, что все прочие вероятные состояния электрона, которые он мог бы принять (это называется суперпозиция), сведены к одному-единственному. Любые другие варианты отпали. Измерение, безусловно, было необратимо и, вызвав такой коллапс, наложило на систему ограничения. За последующие несколько лет физики поняли, что в масштабе квантовой механики поведение объектов в данный момент времени невозможно описать полностью ни с точки зрения классического представления о частицах, ни в терминах волн. Как шутил Фейнман, «они ведут себя не как волны и не как частицы, это квантово-механическое поведение»[18].
Тогда на помощь пришел нобелевский лауреат из Дании и великий знаток электронов Нильс Бор. Две недели он катался на лыжах в норвежских горах, размышляя в одиночестве о двойственной природе электронов и фотонов, а в итоге привез оттуда принцип дополнительности, для которого корпускулярно-волновой дуализм служит прекрасной иллюстрацией. Согласно этому принципу, квантовые объекты обладают комплементарными свойствами, не поддающимися одновременному измерению, а следовательно, и определению в один и тот же момент времени. Как написал Джим Бэгготт в книге «Квантовая история», Бор
понял, что соотношения неопределенности положение-импульс и энергия-время фактически говорят о дополнительности классических волновой и корпускулярной теорий. Всем квантовым системам, которые изучаются в экспериментах, свойственно как волновое, так и корпускулярное поведение, и мы, выбирая методы эксперимента – волновое или корпускулярное зеркало, – вносим в измеряемые свойства неминуемую неопределенность. Эта неопределенность обусловлена не «топорностью» измерений, как утверждал Гейзенберг, а тем, что наш выбор метода вынуждает квантовую систему более выраженно демонстрировать один из двух типов поведения[19].
Опять-таки, в любой момент времени можно измерить и определить либо положение электрона, либо его импульс, но только не то и другое одновременно; точно так же обстоит дело и с его волновыми и корпускулярными свойствами. Если вы измеряете координаты электрона для данного момента времени, это означает, что в этот самый миг он находится где-то и не движется; следовательно, ставится под сомнение наличие у него еще и импульса, то есть его двойственная природа. Измерить импульс в этот момент времени невозможно. Можно лишь приблизительно, с определенной вероятностью, предположить его величину. При попытке измерить одно из парных свойств в системе проявляется комплементарность. Единую систему можно описать в терминах двух одновременно существующих режимов, и из одного описания нельзя вывести другое.