ой системы согласуются друг с другом, так что о всех них можно сказать, что это части одной и той же теории. Но ни одна из теорий этой системы не может описать Вселенную во всех ее аспектах — все фундаментальные взаимодействия (силы) в природе, частицы, на которые воздействуют эти силы, и пространственно-временные рамки, в которых все это теряет смысл. Хотя такая ситуация не исполняет мечту традиционных физиков о единой объединенной теории, она приемлема в рамках моделезависимого реализма.
Интерференция в луже. Явление интерференции можно повседневно наблюдать в любых водоемах — от лужи до океана.
Мы еще обсудим двойственность и М-теорию в главе 5, но прежде вернемся к фундаментальному принципу, на котором базируется современный взгляд на природу квантовой теории, и, в частности, к тому подходу к квантовой теории, который называется «альтернативные истории». С этой точки зрения Вселенная имеет не единственное существование, или историю, а все возможные версии Вселенной существуют одновременно в так называемом квантовом наложении, квантовой суперпозиции. Это может показаться столь же странным, как пример со столом, который исчезает, когда мы выходим из комнаты, но в отношении этого случая следует сказать, что квантовая теория выдержала все экспериментальные проверки, которым когда-либо подвергалась.
4. Альтернативные истории
В 1999 году группа австрийских физиков провела эксперимент по обстрелу некой преграды серией молекул, структура которых напоминает рисунок на поверхности футбольного мяча. Эти молекулы, из шестидесяти атомов углерода каждая, иногда называют бакиболами или фуллеренами — в честь американского архитектора Бакминстера Фуллера (1895–1983), который строил здания подобной конструкции. Так называемые геодезические купола Фуллера представляют собой, пожалуй, крупнейшие объекты со структурой футбольного мяча. Бакиболы же — наименьшие из таких объектов. В преграде, на которую ученые их направили, имелось две щели, сквозь которые бакиболы могли пролететь. Позади преграды физики расположили своего рода экран для обнаружения и подсчета проскочивших молекул.
Бакиболы. Бакиболы похожи на микроскопические футбольные мячи, состоящие из атомов углерода.
Если мы поставим аналогичный эксперимент с настоящими футбольными мячами, нам понадобится игрок — не особенно меткий, но способный весьма продолжительное время бить по возникающим перед ним мячам с заданной нами скоростью. Мы расположим этого игрока перед преградой — стенкой, в которой имеется два вертикальных проема. Позади стенки (параллельно ей) натянем очень длинную сетку. Большинство посланных игроком мячей попадет в преграду и отскочит обратно, но некоторые пролетят сквозь тот или другой проем и попадут в сетку. Если проемы будут лишь чуточку больше мяча, то по другую сторону стенки-преграды возникнут два строго параллельных потока. Если же проемы немного расширить, каждый из потоков будет слегка расходиться (см. ил., с. 72).
Футбол через стенку-преграду с двумя проемами. Когда футболист посылает мячи через проемы в стенке, мы можем наблюдать обычную картину.
Если мы закроем один из проемов, то соответствующий ему поток мячей не сможет пролетать через преграду, однако это никак не повлияет на другой поток. Если мы снова откроем тот проем, который был закрыт, это лишь увеличит число мячей, приземлившихся в любой избранной точке по другую сторону стенки, поскольку это будут все мячи, прошедшие через остававшийся открытым проем, плюс другие мячи, прошедшие через вновь открытый проем. Иными словами, если одновременно открыть два проема, мы увидим сумму тех мячей, которая появилась бы за преградой в том случае, когда мы открывали бы поочередно каждый из проемов. Такова реальность, к которой мы привыкли в повседневной жизни. Совсем иную картину увидели австрийские исследователи, когда вели обстрел своими молекулами.
В австрийском эксперименте открытие второго проема действительно увеличивало число молекул, попадавших на определенный участок экрана, но при этом уменьшало их число на другом участке (см. ил., с. 73).
Бакибольный футбол через двухщелевую преграду. Когда молекулы-«мячи» пролетают сквозь щели, на экране появляется узор, соответствующий какому-то квантовому закону.
Фактически были точки, куда бакиболы вообще не попадали, когда были открыты обе щели, но они попадали туда, если открытой оставалась лишь одна из щелей. Это должно выглядеть весьма странным. Как может открытие второй щели уменьшить число молекул, попадающих в определенную точку?
Чтобы получить ключ к ответу, изучим всё детально. В этом эксперименте многие из молекулярных «мячей» попали в пятно, центр которого располагался на полпути между теми местами, куда можно было ожидать попадания мячей, пролетевших через ту и другую щели. В места, расположенные чуть дальше от этой центральной точки, попадало очень мало молекул, но еще чуть дальше снова наблюдалось скопление молекул, прошедших через щель. Этот узор не является суммой узоров, полученных, когда каждая щель открывалась отдельно, но он напоминает картину, характерную для интерферирующих волн, показанную на иллюстрации в главе 3. Участки, куда молекулы не попадали, соответствуют областям, в которые волны, исходящие из двух щелей, приходили в противофазе и создавали деструктивную интерференцию; участки же, куда попадало много молекул, соответствовали областям, которых волны достигали в одинаковой фазе и создавали конструктивную интерференцию.
В течение первых двух тысяч лет развития научной мысли основой для теоретических объяснений служили повседневный опыт и интуиция. По мере того как мы развивали технические устройства и расширяли с их помощью диапазон явлений, доступных нашим наблюдениям, мы стали замечать, что поведение природы все меньше и меньше соответствует нашему повседневному опыту и нашей интуиции, о чем, например, свидетельствует эксперимент с бакиболами. Этот эксперимент типичен для явлений, которые не может объяснить классическая наука, но которые описываются квантовой физикой. Ричард Фейнман считал, что эксперимент с использованием преграды с двумя щелями, подобный описанному выше, «заключает в себе всю тайну квантовой механики».
Принципы квантовой физики были разработаны в первые десятилетия XX века, после того как теорию Ньютона сочли недостаточной для описания природы на атомном и субатомном уровнях. Фундаментальные физические теории описывают силы природы и то, как объекты реагируют на них. Классические теории, такие как теория Ньютона, построены на основе повседневного опыта, где материальные объекты существуют индивидуально, могут располагаться в определенных местах, следуют строго определенным траекториям и т. д. Квантовая физика дает основу для понимания того, как природа действует на атомном и субатомном уровнях, но, как мы расскажем более подробно в дальнейшем, она диктует совершенно иную концептуальную схему — такую, в которой положение объекта, его путь и даже его прошлое и будущее точно не определены. Квантовые теории таких сил, как гравитационная или электромагнитная, построены именно на этой основе.
Могут ли теории, построенные на основе, столь чуждой повседневному опыту, объяснить присущие ему явления, которые столь точно были смоделированы классической физикой?
Оказывается, могут, поскольку и мы, и всё, что нас окружает, это составные объекты, то есть структуры, состоящие из невообразимо большого количества атомов, — этих атомов больше, чем звезд в обозримой части Вселенной. И хотя все эти атомы подчиняются принципам квантовой физики, можно продемонстрировать, что их крупные совокупности, слагающие футбольные мячи, морковки, аэробусы и нас самих, конечно же сумеют избежать дифракции при прохождении через проемы. Поэтому, хотя компоненты обычных объектов и подчиняются квантовой физике, законы Ньютона представляют собой эффективную теорию, которая с высокой точностью описывает поведение сложных структур, образующих наш повседневный мир.
Это может показаться странным, но в науке есть много случаев, когда поведение крупного образования выглядит отличающимся от поведения его индивидуальных компонентов. Реакции одного нейрона едва ли такие же, как у человеческого мозга в целом, а знание свойств молекулы воды вряд ли много расскажет вам о поведении озера. В случае квантовой физики ученые и по сей день работают над тем, чтобы подробно выяснить, как законы Ньютона проистекают из квантовой области. Нам известно лишь, что составляющие элементы всех объектов подчиняются законам квантовой физики, а законы Ньютона представляют собой хорошее приближение для того, чтобы описать, как ведут себя макроскопические объекты, состоящие из таких квантовых компонентов.
Именно поэтому прогнозы теории Ньютона совпадают с нашим видением реальности, которое мы все развиваем по мере знакомства с окружающим миром. Но образ действия отдельных атомов и молекул кардинально отличается от того, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни. Квантовая физика представляет собой новую модель реальности, дающую нам иную картину Вселенной. Это картина, в которой многие понятия, основополагающие для нашего интуитивного понимания реальности, больше не имеют значения.
Впервые эксперимент с двухщелевой преградой провели в 1927 году американские физики-экспериментаторы Клинтон Дэвиссон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1971) из компании «Белл Лабз». Они изучали, как пучок электронов — объектов, которые гораздо проще, чем бакиболы, — взаимодействует с кристаллом никеля. То, что материальные частицы, электроны, ведут себя подобно волнам на воде, оказалось поразительным экспериментом, который вдохновил квантовую физику. Поскольку на макроскопическом уровне такое поведение не наблюдалось, ученые долго не могли понять, насколько большим и сложным должно быть нечто, чтобы оно все еще продолжало проявлять подобные волновые свойства. Если бы эффект удалось продемонстрировать, используя людей или гиппопотамов, это вызвало бы настоящую сенсацию, но, как мы уже сказали, чем больше объект, тем, как правило, менее очевидными и менее устойчивыми становятся квантовые эффекты. Поэтому вряд ли какое-нибудь животное в зоопарке сможет пройти, подобно волне, сквозь железные прутья клетки. И все же физики-экспериментаторы стали наблюдать волновые свойства у все более крупных «частиц». Ученые надеются когда-нибудь повторить эксперимент с бакиболами, используя вирус, который не только гораздо больше по размерам, но и рассматривается некоторыми как живое существо.