annus mirabilis, годом чудес. Чудеса эти совершил Альберт Эйнштейн. Он выпустил четыре короткие статьи, в которых набросал карту мира, которого до этого никто никогда не видел. Говоря словами из основополагающей книги современного жанра фэнтези, «Дочери короля эльфов» (The King of Elfland’s Daughter, 1924) лорда Дансени, за знакомыми нам полями лежал целый еще не открытый мир. В первой статье Эйнштейн изобрел квантовую механику. Во второй он объяснил, как один простой эксперимент подтверждает существование атомов, опираясь на статистическую механику. В третьей разработал специальную теорию относительности. А в четвертой вывел самую знаменитую формулу в мире: E = mc2. Любая из этих статей привела бы к революционным изменениям наших взглядов на мир. Как же ему удалось написать все их сразу? Между всеми четырьмя статьями была скрытая связь: стоит шагнуть за эту границу, за знакомые нам поля, и все они кажутся в равной степени логичными. До этого мы плавали по поверхности моря; Эйнштейн нашел способ заглянуть в его глубины. То, что он обрисовал в этих четырех статьях, и есть современная физика.
В народном сознании Эйнштейн стал архетипическим эксцентричным гением, живым воплощением теоретической физики. Один из моих любимых анекдотов о нем – это история, которую рассказывал его племянник: Эйнштейн любил ходить под парусом, но выходил в море, только когда не было ветра, так как считал, что иначе это слишком просто[61]. Как и любую другую великую магию, работу Эйнштейна можно оценить в три этапа. Сначала вам ясно видно, что это действительно чистая магия. Все знают, что E = mc2, но по большей части даже не пытаются выяснить, что это значит, так как считают, что это так же невозможно, как научиться колдовскому заклинанию. На втором этапе, если вы изучаете его работы в университете, вы узнаете, что многие из приписываемых ему формул были разработаны другими. Например, уравнения, которые описывают искажения времени и пространства, вызываемые относительным движением, создал Хендрик Лоренц. Эйнштейн этого совершенно не скрывал, но в популярных изложениях эти предшествовавшие ему работы часто обходят вниманием. Но затем вы переходите к третьему этапу: прозрения Эйнштейна действительно были волшебными, как это и казалось с самого начала, – но волшебством были вовсе не изысканные математические формулы. Его новаторство было концептуальным, а потому еще более глубоким: оно не требовало тайных знаний. Он предложил интерпретацию истинного смысла уравнений Лоренца и тем упростил наше понимание мира. Наука никогда не развивается в изоляции. В 1950 году Эйнштейна спросили, кого из ученых он уважает больше всего; он назвал Лоренца и Марию Склодовскую-Кюри. Исследования излучения и материи, проведенные Кюри, во многом заложили основу собственных результатов Эйнштейна. Современная физика тоже создавалась не один год. Все те темы, о которых Эйнштейн писал в 1905 году, продолжают разрабатываться и сегодня. По мере понимания все новых подробностей предметы изучения становились все более сложными: получение возможности применять квантовую механику сразу к множеству частиц заняло десятилетия. В результате получилось то, что мы называем квантовой теорией поля. Именно тогда родилась дисциплина, исследующая огромные наборы частиц и их квантовые свойства, – физика конденсированного состояния.
Микроскопический мир, которым управляет квантовая механика, – это мир возможностей и вероятностей, того, что могло бы быть, и того, что должно быть. Уверенные заявления нашей срединной области – например «мои вещи тут» – в квантовой области становятся недостоверными. Там у ваших вещей может быть только вероятность, с которой они могут находиться где бы то ни было. А как только вы их найдете, у них появится вероятность быть в другом месте. Как известно, Эйнштейн считал такое квантовое безумие чрезмерным. В 1926 году он отозвался о квантовой механике в следующих словах:
Эта теория дает немало, но практически не приближает нас к секрету Старика. Как бы то ни было, я убежден, что Он не играет в кости.
Возражения Эйнштейна были вполне основательными: принять квантовую механику – значит признать, что наш мир гораздо волшебнее, чем отваживался его описывать кто бы то ни было из любых авторов фэнтези. В этой главе мы будем лишь скользить по поверхности этой магии, время от времени опуская под волны ведро со стеклянным дном, чтобы бросить взгляд в глубины.
Прежде чем пускаться в такое умопомрачительное путешествие, важно обзавестись надежным якорем. Возьмите талисман; когда вы почувствуете, что падаете в бесконечную бездну, сожмите его, ощутите, как привычно он лежит в руке, как успокаивает его тяжесть, и напомните себе, что некогда вы были в здравом уме и еще вернетесь в это состояние. Талисманом будет один простой факт:
Квантовая механика не была придумана, чтобы сделать мир более волшебным.
Мир и так волшебен.
Квантовая механика – это простейшее из возможных его описаний.
А Старик, несомненно, играет в кости, и мы можем убедиться в этом на опыте.
Существует множество конкурирующих друг с другом философских интерпретаций квантовой механики – предположений относительно того, что ее математические результаты на самом деле говорят о реальности. Определить справедливость этих интерпретаций на опыте невозможно. Я постараюсь не допускать, чтобы поток домыслов смыл нас в это мутное море, по возможности придерживаясь экспериментальных наблюдений. В этой книге я не пытаюсь дать ответы на вопросы, оставшиеся неразрешенными после столетия размышлений. Иметь связную философскую систему важно, но физики, ежедневно использующие квантовую механику, по большей части не особенно тревожатся о том, почему она работает – так же, как автомеханики не размышляют дни напролет о том, как автомобили могут двигаться, если древнегреческие философы утверждали, что любое движение – всего лишь иллюзия. Один прославленный «квантовый механик», корнельский профессор Н. Дэвид Мермин, кратко сформулировал этот подход в следующих словах: «Заткнись и считай!»
Поэтому же квантовая механика должна нас интересовать – потому что она работает. Вспомните наш талисман: мы изобрели магию не ради самой магии. Квантовая механика проверена точнее, чем любая другая теория за всю историю человечества; например, значение ее постоянной тонкой структуры подтверждено экспериментально с точностью до 81 миллионной. Это гораздо более высокая точность, чем та, что использовалась в классической механике при строительстве домов, та, которой мы доверяем в гидродинамике, рассчитывая, что наш самолет полетит. Благодаря квантовой механике мы знаем теперь, как устроены звезды, создаем лазеры для передачи информации интернета по оптоволоконным линиям и пользуемся медицинской томографией. Процесс прохода на ту сторону зеркала с использованием рентгеновской дифракции – это процесс чисто квантовомеханический. Она управляет миром атомов и играет ключевую роль в освоении новых источников энергии – например солнечной и термоядерной энергетики. Она управляет всеми существующими электронными приборами – телефонами, компьютерами, чем угодно. И все это она делает потому, что физика конденсированного состояния – это прикладная квантовая механика.
В предыдущих главах мы видели, как именно наша срединная область возникает из микроскопического мира. Но прочесывая глубины микромасштаба, мы достигаем области квантовой, и хотя она кажется далекой от мира, который мы ощущаем, для объяснения многих повседневных явлений – например того же магнетизма – нам необходимо постичь ее тайны. В этой главе рассматривается вопрос о том, как наш классический мир может возникать из мира квантового.
Слово «квантовый» означает дискретный, раздельный. Квантовая механика – это описание мира на уровне дискретных частиц. Я всегда предполагал, что она должна иметь какое-то отношение к вероятности; на самом деле эти два понятия родственны.
Представьте себе кристалл кальцита. Кальцит разделяет луч света на два. Если это просто луч, то все в порядке, но квантовая механика пытается описывать объекты на самом мелком масштабе: из чего состоит сам этот луч? Эйнштейн тоже приучил нас считать свет состоящим из мельчайших частей – элементарных частиц, которые называются фотонами. Но тогда немедленно возникает проблема. Если луч света – это поток фотонов, то что решает, куда именно направляется каждый отдельный фотон в кальците? Для каждого фотона должна существовать вероятность того, что он полетит по одному или другому пути. Ну, хорошо, говорите вы, может быть, с ними происходит то же, что с молекулами воды в реке, разветвляющейся на два рукава. Но на самом деле происходит нечто еще более странное.
Между 1908 и 1913 годами эксперименты Гейгера – Марсдена (которые называют также экспериментами Резерфорда) показали, что у атомов есть компактные положительно заряженные ядра, окруженные отрицательным зарядом. В этих экспериментах золотую фольгу обстреливали положительно заряженными α-частицами. В очень редких случаях – приблизительно один раз из 10 000 – эти частицы отражались от фольги. Из этого следовало, что в атоме должна существовать малоразмерная положительно заряженная область, хотя в целом, как уже было известно, атомы нейтральны, то есть не имеют электрического заряда. Было соблазнительно представить себе, что атом подобен положительной планете, вокруг которой летают по орбитам отрицательные спутники, но тогда возникало следующее затруднение. Электрический заряд, движущийся по кругу, излучает энергию; поэтому, если электроны буквально вращаются вокруг ядра, как спутники вокруг планеты, они должны терять энергию и падать в ядро: тогда атомы распадались бы практически мгновенно. Но электроны не могут оставаться неподвижными, потому что отрицательно заряженные электроны притягиваются положительно заряженным ядром, и тогда они падали бы в ядро, как яблоки с дерева. Что же они делают на самом деле?