Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Малоун Джон

Бор постоянно пытался найти связь квантовой механики с остальной физикой. Его подход, известный под названием «копенгагенской интерпретации» (Бор жил и работал в Копенгагене), был основан на предположении, что частицы обладают волновыми свойствами, пока не вступают во взаимодействие с регистрирующим прибором, в результате чего они превращаются в частицы. Иными словами, квантовые частицы сохраняют волновые свойства (в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга), пока не вступают в контакт с прибором. Процесс измерения сопровождается «коллапсом» волновой функции и переводит ее в одно из возможных собственных состояний.

Хотя с копенгагенской интерпретацией квантовой механики согласились многие физики, ряд выдающихся ученых встретил её настороженно. Через год после получения Нобелевской премии Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент (т. е. интеллектуальное

рассуждение, обладающее логикой лабораторного эксперимента), который должен был продемонстрировать абсурдность копенгагенской интерпретации. Этот мысленный эксперимент стал одним из самых известных интеллектуальных построений в истории науки. Представьте себе ящик, в котором находятся живой кот, контейнер с радиоактивным препаратом (например, радием) и ампула с газообразным цианом. Распад атома радия, если он происходит во время пребывания кота в ящике (например, в течение одного часа), приводит в действие механизм, разбивающий ампулу, что сразу убивает кота. Если же распад не происходит, то ампула остается целой, а кот — живым. Согласно копенгагенской концепции, пока ящик закрыт, кот будет либо живым, либо мертвым (поскольку сохраняются обе вероятности). Формально кот будет оставаться в этом двойственном состоянии до момента, пока кто-то не откроет ящик, т. е. произведет наблюдение. При этом неопределенность исчезнет, и кот окажется либо вполне живым, либо мертвым.

^{Эрвин Шредингер, получивший в 1933 г. вместе с Полем Дираком Нобелевскую премию за развитие квантовой теории. Двумя годами позже, отрицая предложенную Нильсом Бором «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, он придумал знаменитый мысленный эксперимент, в котором кот одновременно и жив, и мертв. (С любезног® разрешения Института физики. Архив Эмилио Сегре.)}

Смысл эксперимента можно разъяснить на примере из обыденной жизни. Представьте себе бизнесмена, имеющего проблемы со здоровьем (например, очень высокое кровяное давление), который, отправляясь в деловую поездку, предварительно заказывает себе в другом городе номер в гостинице и завтрак в 8 часов утра. После того как бизнесмен вечером зайдет в заказанный им номер, строго говоря, уже никто не может с определенностью утверждать, что он всё еще жив. Это можно будет проверить только утром, если он не откроет вовремя дверь номера. В этом случае официант поймёт, что произошло нечто необычное, откроет дверь своим ключом и обнаружит умершего от сердечного приступа бизнесмена и т. д. (чтобы не усложнять проблему, мы даже не рассматриваем сложную ситуацию, когда дверь в номер оказывается закрытой просто потому, что у бизнесмена испортились часы или он перепутал время и задержался в ванной). Очевидно, что подобные рассуждения выглядят довольно нелепо. Именно это и хотел продемонстрировать своим мысленным экспериментом Эрвин Шредингер. Однако обсуждение разных аспектов проблемы «шредингеровского кота» продолжается уже несколько десятилетий и продолжает волновать сторонников копенгагенской школы. Знаменитый Стивен Хокинг однажды раздраженно заявил, что он пристрелил бы этого воображаемого кота, чтобы покончить со спорами. На самом деле мысленный эксперимент Шредингера все еще вызывает интерес по той простой причине, что многие явления квантовой механики очень трудно объяснить и истолковать. Позднее Эйнштейн совместно с двумя другими физиками, Борисом Подольским и Натаном Розеном, придумал другой мысленный эксперимент. Один из парадоксов квантовой механики заключается в том, что два электрона, прошедшие через два разных отверстия, каким-то образом «знают» друг о друге. Эйнштейн с коллегами мысленно увеличили расстояние между отверстиями до гигантских размеров порядка нескольких световых лет (физики часто используют такое «увеличение» для прояснения ситуации) и пришли к логическому выводу, что скорость «обмена информации» между такими электронами должна превосходить скорость света, что невозможно согласно теории относительности. Эйнштейн с явным раздражением называл этот эффект «проделками нечистой силы на расстоянии» [9] .

9

Многие из рассматриваемых проблем (включая шредингеровского кота, эффект Эйнштейна — Подольского — Розена и др.) подробно обсуждаются в книге

Р. Пенроуза [7]. — Прим. перев.

Квантовая механика находит реальное применение в науке и технике (в противном случае не работали бы лазеры). Ученые пытаются создать нечто совсем удивительное, например квантовые компьютеры, в которых электроны общаются друг с другом на расстоянии. Однако при этом механизм квантовых явлений зачастую остается совершенно непонятным. Кроме того, физикам никак не удается объединить квантовую механику с гравитацией, которая тоже реально существует. Многих ученых такая ситуация приводит в отчаяние, и они готовы отказаться от дальнейших попыток понять законы природы. В конце концов, говорят они, можно и не знать, «как устроен» мир, а ограничиться лишь практическим применением известных результатов в рамках существующей квантовой теории.

Но есть физики, которые хотят не только понять, «как устроен» мир, но и четко определить границы, отделяющие квантовый мир от привычного нам мира ньютоновской механики. Они хотят понять, в каком масштабе управляющие миром квантов вероятности уступают место детерминированности, позволяющей существовать коту или хотя бы его трупу? Как из небытия возникают субатомные частицы? Откуда они появляются и куда пропадают? Некоторые ученые хотели бы, чтобы шредингеровский кот не только сдох, но и вообще скрылся с глаз долой, как мертвецы в фильмах ужасов.

За последние годы в квантовой физике бурно развивались новые направления, например теория суперструн, о которой рассказывается в гл. 20. Однако это во многом лишь усложнило квантовое описание мира. Многие ученые крайне удивлены тем, что значительные успехи в теории почти не приблизили нас к пониманию природы вещей. Физикам никак не удается похоронить с достойными почестями несчастного шредингеровского кота, находящегося в полуживом состоянии с 1935 года.

Литература для дальнейшего чтения

 1. Gribbin, John. In Search of Schro dinger's Cat. New York: Bantam, 1984. Эта книга представляет собой одну из первых попыток популярно рассказать о необычном квантовом мире, и она до сих пор не потеряла своей ценности.

2. Gribbin, John. Schrddinger's Kittens and the Search for Reality. Boston: Little, Broun, 1995. Книга является продолжением предыдущей работы автора и написана очень интересно, но многие физики находят ее недостаточно критической.

3. Suplee, Curt. Physics of the 20th Century. New York: Abrams, 1999. Книга выпущена совместно с Американским физическим обществом и Американским институтом физики. Большую часть занимают фотографии, дающие читателю полное представление о развитии современной физики.

4. Lindley, David. The End of Physics. New York: Basic Books, 1993. В книге подвергаются критическому анализу так называемые «непроверяемые» физические теории, получившие распространение в науке с середины 1980-х годов. Скептицизм автора разделяет и Нобелевский лауреат 1988 года Мэлвин Шварц.

5. Perkowitz, Sidney. Universal Foam: From Cappuchino to the Cosmos. New York: Walker, 2000. Как и в другой своей книге (см. литературу к гл. 15), С. Перковиц удачно иллюстрирует квантовомеханические парадоксы примерами из повседневной жизни и сведениями из других научных дисциплин, что делает текст интересным и ярким.

6. Frayn, Michael. Copenhagen. New York: Anchor, 2000. Пьеса, получившая широкое международное признание, посвящена встрече Нильса Бора с Вернером Гейзенбергом, которая действительно имела место во время Второй мировой войны, когда Гитлер предложил Гейзенбергу создать атомную бомбу. Точное содержание беседы остается неизвестным до сих пор. Фрайну удалось связать проблемы квантовой физики и «принципа неопределенности» со сложными психологическими переживаниями персонажей.

7*. Pensore Roger, et al. The Large, the Small and the Human Mind, Cambridge University Press, 2000. [Имеется перевод: Пенроуз Р. и др. Большее, малое и человеческий разум. — М.: Мир, 2003.]

8*. Пономарев Л. И. Под знаком кванта. — М.: Наука, 1989. Доступно и популярно излагаются парадоксы квантовой механики.

9*. Трейман С. Этот странный квантовый мир. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. Компактное и достаточно полное популярное изложение квантовой механики, а также основных принципов теории микрочастиц и квантовой теории поля.

Глава 17.

Что же такое черные дыры?