Эксперименты в лабиринте тайн

Современная физика произвела переворот в научном мировоззрении, открыв новые законы, которым природа подчиняется на уровне атомов.

Микроскопы и подзорные трубы, собственно говоря, лишь сбивают с толку человеческий разум.

Иоганн Вольфганг фон Гете
Сто лет назад физики полагали, что им известна истинная картина мира. А что могло способствовать их научным беседам лучше, чем игра в бильярд? Удары кия по шару, одинаковой силы и под неизменным углом, из раза в раз приводили к одним и тем же результатам - в точности как физические эксперименты. В соответствии с принципом причинности, который гласит: одинаковые причины порождают одни и те же следствия.
Шары движутся по регулярным траекториям, а не скачут случайным образом в разные стороны: «Natura non facit saltum» — природа не подвержена скачкам. Три принципа: причинности, непрерывности и объективности (независимости от наблюдателя) — вот те киты, на которых стояла классическая физика XIX века. Они согласуются с нашим повседневным опытом, достаточно очевидны, не требуют сложной системы доказательств. На них основываются законы классической механики и теории электромагнитного поля. Универсальная применимость этих принципов означала бы, что вся Вселенная, включая живую природу, в том числе и 100 миллиардов нервных клеток, составляющих мозг человека, работает как часовой механизм.
Разумеется, многообразие мира не исчерпывается несколькими шарами, но разница эта - не качественная, а количественная. Ведь «шарики Вселенной», атомы, ведут себя в точности как бильярдные шары.
В такой модели мира нет места случайности — в начале был конец, все предопределено, а свобода воли — иллюзия, покоящаяся на том, что человеческий разум в своей ограниченности не способен охватить одновременно все атомы Вселенной и увидеть, что все предрешено независимо от его выбора. Лишь это и мешает человеку составить полную картину мира. Некий же сверхразум — в наши дни его нарекли бы суперкомпьютером — вполне в силах это сделать.

Высший разум, которому были бы известны все силы, действующие в природе в каждый заданный момент, а также соответствующее положение сущностей, эту природу составляющих, если бы, к тому же, он оказался достаточно всеобъемлющим, чтобы данные эти подвергнуть анализу, - смог бы единой формулой описать движения больших тел и мельчайших атомов: ничто не осталось бы скрытым от этого разума, прошлое и будущее предстали бы перед его взором.

Пьер Симон маркиз де Лаплас
Если бы подобный по-настоящему универсальный разум установил свои часы, скажем, на 2002 год, он предсказал бы сегодня с той же легкостью, как астрономы предсказывают солнечное затмение, кто станет в Японии чемпионом мира по футболу, кто одержит победу на президентских выборах в той или иной стране. Разум этот был бы всеведущим и... совершенно бессильным. Ведь он никак не мог бы вмешаться в вечный круговорот причин и следствий.
«Всеведущее существо» маркиза де Лапласа — а вместе с ним и основы классической физики — почило 14 декабря 1900 года. В этот день перед членами Берлинского физического общества выступил Макс Плате с докладом о тепловом излучении так называемых черных тел. Тогда никто не догадывался, в том числе и сам Планк, что развитие его теории в итоге приведет к опровержению трех основополагающих принципов классической физики - причинности, непрерывности и объективности.
Никому и в голову прийти не могло, насколько универсальной окажется новая теория. Фактически она вторгнется во все модели основных природных взаимодействий: от химических реакций и процессов возникновения и развития атомного ядра до сверхпроводимости, свечения глубинных рыб, теории Большого взрыва и феномена черных дыр.
Под тепловым излучением понимается явление, состоящее в том, что при нагревании материя начинает светиться сначала красным, потом, при очень высоких температурах, — белым светом. Это явление хотя и известно каждому из нас по повседневному опыту, остается необъяснимым с точки зрения традиционной физики: согласно классической модели элементарные излучатели тепловой энергии должны испускать ее с постоянной интенсивностью, а следовательно, цветовой спектр такого излучения должен быть иным, чем мы видим на практике. Планк нашел гениальное решение: после того как он отказался от принципа непрерывности и допустил, что тепловая энергия излучается скачкообразно, порциями так называемых квантов, все противоречия исчезли.
Это было рождение квантовой теории. Переведя все вышеизложенное на язык бильярдных шаров, мы получили бы довольно странную картину: будь они квантовыми объектами, шары могли бы двигаться по столу лишь со строго определенными скоростями, всегда кратными основной. Если бы базовая скорость составляла пять сантиметров в секунду, шар бы двигался со скоростью 10, 15, 20 сантиметров в секунду и так далее. Однако даже самый искусный игрок никогда не добился бы от него скорости в 6 или 18 сантиметров в секунду.

Все мои попытки обосновать эти результаты с позиций теоретической физики терпели полный крах. Точно из-под ног ушла земля и нигде не видно твердой почвы, на которой можно было бы строить.

Альберт Эйнштейн
Следующий шаг к ниспровержению классической физики совершил уже Альберт Эйнштейн, раскрывший в 1905 году секрет фотоэффекта. Фотоэффект состоит в следующем: при облучении куска металла ультрафиолетовыми лучами на его поверхности образуются свободные электроны. Это явление не вполне укладывалось в рамки волновой теории, считавшейся тогда неопровержимой. Так, было совершенно непонятно, почему энергия высвобожденного электрона почти не зависит от интенсивности излучения, но зависит от его частоты.
Отбросив все сомнения, Эйнштейн решил распространить на этот случай квантовую гипотезу Планка. Он показал, что фотоэффект очень легко объяснить, основываясь на предположении, что свет состоит из частиц, так называемых квантов света, или фотонов. Правда, допущение это представлялось весьма парадоксальным. Как может свет быть одновременно и потоком частиц, и волной, которая по определению всегда заполняет пространство целиком? Гипотеза Эйнштейна о квантах света безнадежно запутала все физические представления о мире. Нильс Бор тогда остроумно заметил: «Когда Эйнштейн радиограммой мне сообщает, что наконец-то окончательно доказал корпускулярную природу света, я принимаю эту самую радиограмму как раз благодаря тому, что свет есть волна». С тех пор говорят о корпускулярно-волновом дуализме: в одних случаях свет ведет себя как волна, в других же предстает потоком частиц, например, когда вырывает из вещества электроны, как при фотоэффекте, - однако он никогда не бывает и тем и другим одновременно.

Я помню свои многочисленные дискуссии с Нильсом Бором, которые нередко затягивались допоздна и в итоге лишь приводили нас в отчаянье. ..вновь и вновь я повторял один и тот же вопрос: может ли природа и впрямь быть устроена столь абсурдно, как это предстает нам в экспериментах с атомами?

Вернер Гейзенберг
То, что свет проявляет одну или другую свою природу, зависит от условий эксперимента, а значит, больше не может быть речи об объективно существующей природе света, которая не зависит от наблюдателя. В 1924 году французский физик Луи Виктор де Бройль усилил всеобщую растерянность своей идеей о двойственной природе всей материи на атомарном уровне. Его смелая гипотеза, впоследствии использованная в электронной микроскопии, состояла в том, что электроны и атомы обладают как свойствами элементарных частиц, так и волновыми свойствами.
Вернер Гейзенберг и Нильс Бор в конце концов поняли причину этой двойственности. Очевидно, в мире атомов действуют иные законы, отличные от законов нашего повседневного мира, изучая который человечество и формировало свои представления о природе. Главная трудность для физиков состоит в том, что наши привычные представления совершенно не годятся для описания микромира. А так как любой эксперимент, нацеленный на изучение микромира, ставится в макромире, ученым приходится использовать язык последнего, и это приводит к неразрешимым противоречиям. Суть проблемы становится понятной, в частности, при наблюдении за электронами в камере Вильсона. Хотя экспериментатор видит следы частиц, в точности проследить их путь невозможно - а ведь в случае бильярдных шаров это было бы проще простого.
Такие понятия, как место и скорость, становятся расплывчатыми. Вот как, например, можно было бы выразить постулат Гейзенберга о «соотношении неопределенностей» -квинтэссенцию новой физики: место и скорость комплементарны по отношению друг к другу — если точно известна скорость частицы, неизвестно ее местоположение, и наоборот. Хотя электрон и является частицей, в один и тот же момент он в принципе может находиться повсюду - как волна.
На языке макромира это могло бы означать следующее: во время игры бильярдные шары разлетались бы над столом во все стороны белым и черным туманом; сталкиваясь, они бы исчезали совсем или образовывали туманные облака большей плотности. Однако в момент удара кием они все-таки были бы частицами — иначе как бы мы могли попасть по ним? А так как удар однозначно определяет местоположение шара, скорость его была бы совершенно неопределенной. Шар улетал бы одновременно во всех направлениях со всеми возможными скоростями, от нуля до скорости света. А, скажем, телевизионная трансляция чемпионата мира по бильярду, где вместо шаров использовались бы электроны, вообще была бы бессмысленна: в половине кадров шары бы отсутствовали. Пришлось бы определять их положение и скорость, сопоставляя отдельные кадры — задача невыполнимая. В таком электронном бильярде удары кия одинаковой силы и направленности при одних и тех же начальных условиях редко приводили бы к одинаковому результату. Ход игры целиком утратил бы сходство с работой часового механизма и больше напоминал бы игру в кости. Можно было бы заранее предсказать лишь вероятность того или иного исхода - а такого рода предсказания проверяются лишь в результате многократного повторения эксперимента.

Что будет представлять собой Вселенная через пять секунд, сейчас еще окончательно не определено. Такой открытый взгляд на природу нравится мне гораздо больше замкнутого подхода. Он куда романтичнее и не так скучен.

Антон Цайлингер
Природа укрыла микромир пеленой, из-под которой физики с помощью своих методов познания способны извлекать информацию лишь в виде вероятностных утверждений. Но для практических целей этого оказывается достаточно. Ведь в обычной жизни мы имеем дело одновременно с огромным числом квантовых объектов - так, всего один грамм урана содержит примерно 1022 атомов. А если в игре участвует очень большое количество объектов, то, как учит статистика, множество отдельных вероятностей складываются в определенность, которая вполне поддается исчислению, — во всяком случае, позволяет нам строить магнитно-ядерные томографы, компьютерные чипы и атомные электростанции. А изучая отдельные квантовые объекты, ученые воспитывают в себе смирение - осознавая, насколько далеки они еще от истинного понимания природы и постижения ее законов.

Арно Нильсен