Реальность без завесы

Масри Зиад

Эту науку преподают в школах, и она точно описывает физический мир, видимый невооруженным глазом; именно поэтому большинство людей думает, что это единственная наука, заслуживающая доверия. Но когда мы переходим к исследованию субатомного мира, все правила классической физики начинают полностью нарушаться.

Короче говоря, то, что с точки зрения наших стандартных научных представлений невозможно, внезапно начинает происходить с удивительной регулярностью. И именно поэтому физики XX века, такие как Нильс Бор и Альберт Эйнштейн (и многие другие – Эрвин Шрёдингер, Макс Планк, Дэвид Бом; список можно продолжать), были поражены тем, что они обнаружили, когда начали изучать крошечный мир субатомных частиц.

Одним

из самых изумительных стало открытие так называемого «дуализма» в природе частиц. С точки зрения классической физики частицы (такие как электроны или фотоны света) представляют собой твердые сплошные объекты, которые ведут себя подобно маленьким шарикам. Но когда с целью изучения их поведения квантовые физики провели знаменитый эксперимент на двух щелях [2], они были совершенно сбиты с толку результатами.

Если вкратце, в ходе эксперимента ученые направляли электроны один за другим в экран с двумя прорезями и смотрели, какие фигуры появляются позади экрана. На основе классической физики следовало бы ожидать, что электроны (предположительно твердые тела), проходя сквозь одну из щелей, будут создавать две вертикальные полосы, как показано на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Ожидаемый результат эксперимента с двойной щелью

Но, как ни странно, произошло нечто иное. Вместо двух вертикальных полос частицы образовали интерференционную фигуру, изображенную на рисунке 1.3.

С точки зрения классической физики такая интерференционная фигура может появиться только в том случае, если направлять в экран не частицы, а волны, как видно на рисунке 1.4. Когда пик одной волны накладывается на пик другой, они усиливают друг друга, а при совмещении фаз спада – ослабляют.

Рисунок 1.3. Фактический результат эксперимента с двойной щелью

Рисунок 1.4. Фигура волновой интерференции

Но как обособленный электрон может создать интерференционную фигуру, которая формируется исключительно волнами?

Как показал сложный математический анализ, для этого один и тот же электрон должен не просто одновременно пройти через обе щели, но в то же время и через правую, и через левую щели по отдельности, и ни через одну из них. Очевидно, это не имеет никакого смысла – поэтому ученые и были так ошарашены результатами эксперимента.

Чтобы разгадать тайну явления, невозможного с точки зрения математики и физики, исследователи задействовали измерительный прибор, позволяющий определить, через какую из щелей проходит каждая отдельно взятая частица. На рисунке 1.5 показаны ошеломительные результаты измерений.

Рисунок 1.5. Результат эксперимента с двойной щелью при включении измерительного прибора

Но когда за электронами наблюдали при помощи прибора, они снова начали вести себя как твердые частицы, а не как волны! Невозможно поверить в то, что электроны понимали, что за ними наблюдают, и осознанно стали делать то, чего от них можно было бы ожидать в тот момент. Однако именно на это указывают результаты эксперимента.

Так ученые оказались в странном мире квантовой физики, внезапно осознав, что, вопреки относительно простым и механистичным представлениям ньютоновской науки, частицы, считавшиеся твердыми и неодушевленными, в действительности ведут себя как нетвердые волны потенциальной возможности: они начинают и прекращают физическое существование, взаимодействуя с нашим сознанием. Но что это значит на самом деле? Как частица, предположительно имеющая физическую природу, может «запрыгивать» в физическую реальность и «выпадать» из нее (что невозможно с точки зрения классической науки)?

Много шума из ничего: нематериальность материального мира

Если вы немного углубитесь в изучение квантовой физики, то неизбежно придете к заключению: физическая частица ведет себя так странно потому, что она вовсе не физическая.

Мы знаем, что все во Вселенной состоит из атомов, у которых, как принято считать, есть большое твердое ядро, а вокруг него вращаются электроны. Но при более внимательном изучении квантовые физики обнаружили, что на самом деле у атомов нет вообще ничего. Как оказалось, атом на 99,9999999999996% представляет собой пустое пространство [3]. Ядро действительно твердое, но оно бесконечно мало – настолько, что, можно сказать, вовсе отсутствует. Все остальное, в сущности, является физическим вакуумом. Это все равно что смотреть на невидимое энергетическое торнадо, в котором бесконечно малые частицы входят в существование и спустя мгновение из него выпадают; в итоге рассматриваемый предмет иллюзорен, как облачко дыма. До него нельзя даже дотронуться, поскольку он исчезнет в точке прикосновения.

И действительно, как показывают вычисления, если взять все население Земли, все семь миллиардов человек, и убрать из атомов, составляющих наши тела, пустое пространство, то человечество уместилось бы в объем одного кубика сахара [4]. Вот и весь твердый мир. Если от этого факта у вас не захватывает дух, то я даже не знаю, чем еще вас удивить.

Но если количество «твердой» материи во Вселенной ничтожно мало, то почему все выглядит и ощущается таким неоспоримо твердым?

О твердости всего сущего говорят нам наши чувства. Просто возьмите камень и попытайтесь понять, как так получается, что в нем, по сути, нет ничего твердого и в действительности он представляет собой пустое пространство. Да, это трудно себе представить. Весь секрет в электростатическом поле, которое окружает атомы (то есть облаке электронов, движущихся по орбитам). Когда сближаются два атома, их облака электронов отталкивают друг друга, в результате ядра никогда не соприкасаются. Но вы держите камень в руке и чувствуете, что он очень твердый, как будто действительно к нему прикасаетесь. На самом же деле вы ощущаете электростатическое отталкивание: атомы, из которых состоит ваша рука, удерживаются на расстоянии одной стомиллионной доли сантиметра от атомов камня [5].

То же самое происходит, когда вы дотрагиваетесь до любого будто бы твердого предмета. В нем нет ничего твердого, к чему можно было бы прикоснуться. Сейчас вы держите в руках это книгу – на самом деле вы не прикасаетесь к ней. Нематериальные вихреобразные облака атомов удерживают друг друга на невообразимо малом расстоянии, в результате и возникает иллюзия прикосновения к чему-то твердому. Вся ощущаемая твердость возникает вследствие ощущения электростатического отталкивания между атомами. Действительно, вы не соприкасаетесь со стулом, на котором сидите, а парите над ним на расстоянии одной стомиллионной доли сантиметра, но чувствуете под собой его твердость, потому что атомы вашего тела отталкиваются от атомов стула.