Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

WHAT IS REAL?

The Unfi nished Quest for the Meaning of Quantum Physics by Adam Becker

Copyright © 2018 Adam Becker

This edition published by arrangement with The Science Factory, Louisa Pritchard Associates and The Van Lear Agency LLC

Вещи в повседневной жизни раздражают тем, что не могут оказываться в двух местах одновременно. Если вы оставите ключи в кармане пальто, они не появятся еще и на крючке у входной двери. Это неудивительно – у вещей нет никаких тайных способностей или добродетелей. Они совершенно обычные. И все же хорошо известные нам предметы содержат в себе неизведанные вселенные.

Та же связка ключей представляет собой временный союз триллиона триллионов атомов, каждый из которых миллиарды лет назад родился в недрах умирающей звезды, а затем попал на горячую формирующуюся Землю. Эти атомы купались в яростных лучах молодого Солнца. Они свидетели возникновения жизни на нашей планете и всей ее истории. В атомах есть нечто эпическое, и, как у большинства эпических героев, у них есть и проблемы, которых нет у обычных существ. Мы, люди, – рабы привычек, мы занудно упорствуем в том, чтобы в каждый момент занимать только одно положение в пространстве. Но атомы склонны к причудам. Вот в лаборатории одиночный атом, следуя своим маршрутом, оказывается на развилке, где может повернуть налево или направо. Однако, вместо того чтобы выбрать что-нибудь одно, как сделали бы мы с вами, атом словно впадает в сомнения, не в силах решить, где ему быть и где не быть. И в конце концов наш Гамлет ростом с нанометр выбирает оба пути сразу. Нет, он не раздваивается, не проходит сначала одним путем, а потом другим – он идет по обоим одновременно, презирая все законы логики. Атомы не подчиняются правилам, которым подчиняемся и мы с вами, и принцы датские. Атомы живут в другом мире, где управляет другая физика, – в субмикроскопическом мире квантов.

Квантовая физика – физика атомов и других сверхмалых объектов, таких как молекулы и субатомные частицы, – самая совершенная из всех научных теорий. Она предсказывает поразительное многообразие явлений с невообразимой точностью. Ее влияние простирается далеко за пределы микромира – мы ощущаем его и в повседневной жизни. Открытые в начале XX века законы квантовой физики прямо привели и к кремниевым транзисторам внутри вашего телефона, и к светодиодной матрице его экрана, и к ядерным двигателям для дальних космических экспедиций, и к лазерным сканерам кассы супермаркета. Квантовая физика объясняет, почему светит Солнце и как видят наши глаза. Она лежит в основе всей химии и периодической системы элементов. Она объясняет даже, каким образом сохраняют свою целостность твердые тела, например стул, на котором вы сидите, или ваши собственные кости. Все это сводится к свойствам микроскопически малых объектов, ведущих себя очень странным образом.

Но кое-что все же вызывает беспокойство. Квантовая физика, похоже, неприменима для описания людей и вообще всего, что близко по масштабу к человеку. Наш человеческий мир – это мир связок ключей, мир обычных предметов, которые не могут находиться сразу в двух местах. Но ведь все эти обыкновенные вещи состоят из атомов: и вы, и я, и принцы датские. А атомы, как мы уже знаем, подчиняются именно квантовой физике. Как же это выходит, что физика атомов так поразительно отличается от физики сделанного из тех же атомов обычного мира? Почему квантовая физика работает только в мире сверхмалых масштабов?

Дело не в какой-то сверхъестественности квантовой физики. Мир полон чудес, и в нем всегда есть место таинственному. Но в повседневной жизни мы не видим никаких странностей, свойственных миру квантов. Почему? Может, квантовая физика – это и вправду физика очень малых объектов, а к большим телам она неприменима? Может, где-то есть некая граница, рубеж, за которым квантовая физика уже не действует? Но если так, где эта граница и что на ней происходит? А если такого рубежа не существует, если законы квантовой физики так же действуют на нас, как они действуют на атомы и субатомные частицы, то почему квантовая физика так разительно противоречит нашему повседневному опыту? Почему наши ключи не могут находиться одновременно в двух местах?

Восемьдесят лет назад эти вопросы глубоко волновали одного из основателей квантовой физики, Эрвина Шрёдингера. Чтобы объяснить коллегам-физикам, что его беспокоит, он придумал ныне знаменитый мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера» (рис. В.1). Шрёдингер представил себе, что кота посадили в ящик с запечатанной капсулой цианистого калия и подвешенным над ней маленьким молоточком. Этот молоток, в свою очередь, связан со счетчиком Гейгера, регистрирующим радиоактивность и направленным на кусочек радиоактивного металла в капсуле. Эта адская машинка приводится в действие в тот момент, когда металл испускает излучение. Как только это произойдет, счетчик Гейгера сработает, молоточек упадет, разобьет капсулу и убьет беднягу кота.

Рис. В.1. Кот Шрёдингера. Когда металл испускает радиоактивное излучение, счетчик Гейгера регистрирует его и отпускает молоток. Капсула разбивается, и цианистый калий убивает кота

Вниманию Общества защиты животных: у Шрёдингера и мысли не было о том, чтобы на деле провести этот опыт! Шрёдингер предложил просто вообразить, что мы на некоторое время оставляем кота в ящике, затем открываем крышку и узнаём, что случилось с котом.

Кусочек металла испускает субатомные частицы, с большими скоростями вылетающие из атомов при их распаде. Как и все достаточно маленькие объекты, эти частицы подчиняются законам квантовой физики. Субатомные частицы металла Шекспира не читали, а вот панк-группу Clash, видимо, слушали. В каждый отдельно взятый момент они не знают, что им делать – оставаться на месте или вылететь из атома, и поэтому они делают и то и другое: внутри закрытого ящика «нерешительный» кусок радиоактивного металла одновременно излучает и не излучает.

Из-за такого поведения частиц-панков счетчик Гейгера и будет, и не будет регистрировать излучение, молоток и упадет, и не упадет на капсулу, которая и разобьется, и нет – а значит, кот будет одновременно и мертв, и жив. И это, по мнению Шрёдингера, было серьезной проблемой: может, атомы и могут находиться в двух местах сразу, но кот точно может быть либо дохлым, либо живым. Мы убедимся в его состоянии в тот же миг, как откроем крышку, а значит, логично заключить, что и до ее открытия кот должен был находиться в том же состоянии.

Многие из современников Шрёдингера оспаривали его аргументацию именно в этом пункте. Некоторые заявляли, что до открытия крышки кот находится в состоянии «и жив, и мертв» и, только заглядывая внутрь ящика, мы каким-то образом переводим его в состояние жизни или смерти. Другие считали, что, пока мы не открыли ящик, говорить о том, что происходит внутри него, вообще бессмысленно, так как внутренность закрытого ящика по определению ненаблюдаема, а только наблюдаемые и измеримые вещи имеют смысл. Для них говорить о ненаблюдаемых вещах было так же бесполезно, как спорить о том, издает ли треск падающее в лесу дерево, если нет никого, кто этот треск мог бы услышать.

Но эти аргументы Шрёдингера не убедили и не успокоили. Он считал, что его коллеги упускали из виду одну вещь: квантовой физике недостает важной составляющей, которая связала бы ее с обычным миром. Каким образом фантастическое количество атомов, управляемых законами квантовой физики, порождает мир, который мы видим вокруг? Что на самом фундаментальном уровне является реальностью и как эта реальность обнаруживается?

В этом споре оппоненты Шрёдингера победили. От его вопросов о том, что же в действительности происходит в квантовом мире, они попросту отмахнулись, и физика продолжала двигаться вперед.