Квантовая физика
Полагаю, что я могу с уверенностью утверждать: квантовую механику не понимает никто.
Тот, кто не был потрясен при первом знакомстве с квантовой теорией, скорее всего, просто ничего не понял.
Если даже физики, лауреаты Нобелевской премии, не понимают квантовой теории, что тогда говорить об остальных? Что делает человек, когда реальность стучится в его дверь и сообщает нечто чрезвычайно сложное, запутанное, ошеломляющее? То, как вы реагируете, как движетесь по жизни дальше, какие находите варианты – говорит о вас многое, но об этом позднее. Сейчас же давайте побеседуем об электронах, фотонах и кварках и попытаемся понять, каким образом эти крошечные частицы (если это частицы!) оказались настолько непостижимыми, что сам факт их существования разбил вдребезги наш такой хорошо организованный и понятный мир.
С одной стороны, это совершенно парадоксальная и понятийно запутанная теория. С другой стороны, у нас нет никакой возможности отбросить ее или пренебречь ею. Ведь это самый мощный инструмент для предсказания поведения физических систем, который когда-либо оказывался в наших руках.
Известное встречается с неизвестным
Классическая ньютоновская физика строилась на основании наблюдений за плотными материальными объектами – от падающих яблок до планет. Ее законы за несколько столетий были неоднократно проверены, доказаны и расширены. Они понятны и хорошо предсказывают поведение физических тел. Но в конце XIX столетия, когда физики углубились в изучение микромира, они обнаружили нечто весьма озадачивающее: ньютоновская физика на этом уровне реальности не работала! Ни предсказать, ни объяснить сей феномен они не могли.
За последующее столетие возникла совершенно новая наука, известная как квантовая механика, квантовая физика или просто квантовая теория. Она не заменяет ньютоновскую физику, которая прекрасно описывает поведение крупных тел, т. е. объектов макромира. Она была создана, чтобы объяснить субатомный мир: в нем теория Ньютона беспомощна.
Термин «квант» был впервые применен в науке немецким физиком Максом Планком в 1900 году. Это латинское слово означает просто-напросто «количество», но он использовал его, чтобы обозначить наименьшее количество энергии или материи.
«Вселенная – очень странная штука, – говорит один из основателей нанобиологии доктор Стюарт Хамерофф. – Похоже, есть два набора законов, управляющих ею. В нашем повседневном, классическом мире все описывается ньютоновскими законами движения, открытыми сотни и сотни лет назад… Однако при переходе в микромир, на уровень атомов, начинает действовать совершенно иной свод «правил». Это – квантовые законы».
Факты или фантастика?
Одно из самых глубоких философских различий между классической и квантовой механикой заключается в следующем: классическая механика построена на идее о возможности пассивного наблюдения за объектами… квантовая механика насчет этой возможности никогда не заблуждалась.
Положения квантовой теории настолько ошеломительны, что она больше похожа на научную фантастику.
Частица микромира может находиться в двух и более местах одновременно! (Один из совсем недавних экспериментов показал, что одна из таких частиц может находиться одновременно в 3000 мест!) Один и тот же «объект» может быть и локализованной частицей, и энергетической волной, распространяющейся в пространстве.
Эйнштейн выдвинул постулат: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но квантовая физика доказала: субатомные частицы могут обмениваться информацией мгновенно – находясь друг от друга на любом удалении.
Классическая физика была детерминированной: исходя из начальных условий, вроде местоположения и скорости объекта, мы можем рассчитать, куда он будет двигаться. Квантовая физика – вероятностна: мы никогда не можем с абсолютной уверенностью сказать, как поведет себя исследуемый объект.
Классическая физика была механистичной. Она основана на предпосылке: только зная отдельные части объекта, мы в конечном счете можем понять, что он из себя представляет. Квантовая физика целостна: она рисует картину Вселенной как единого целого, части которого взаимосвязаны и влияют друг на друга.
И, наверно, наиболее важно то, что квантовая физика уничтожила представление о принципиальном различии между субъектом и объектом, наблюдателем и наблюдаемым – а ведь оно властвовало над учеными умами в течение 400 лет!
В квантовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Нет никаких изолированных наблюдателей механической Вселенной – все принимает участие в ее существовании. (Это положение настолько важно, что мы посвятим ему отдельную главу.)
Потрясение № 1 – пустое пространство
Давайте начнем с того, что известно большинству. Одну из первых трещин в прочной конструкции ньютоновской физики сделало следующее открытие: атомы – эти твердые стандартные блоки физической Вселенной! – состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если увеличить ядро атома водорода до размера баскетбольного мяча, то единственный вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии в тридцать километров, а между ядром и электроном – ничего. Так что, глядя вокруг, помните: реальность – это мельчайшие точечки материи, окруженные пустотой.
Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» на самом деле не пуста: она содержит колоссальное количество невероятно мощной энергии. Мы знаем, что энергия становится все плотнее по мере перехода на более низкий уровень материи (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Сейчас ученые говорят, что в одном кубическом сантиметре пустого пространства больше энергии, чем во всей материи известной Вселенной. Хотя ученые не смогли измерить ее, они видят результаты действия этого моря энергии[4].
Потрясение № 2 – частица, волна или волночастица?
Мало того, что атом почти сплошь состоит из «пространства» – когда ученые более глубоко исследовали его, обнаружили, что субатомные (составляющие атом) частицы также не сплошные. И, похоже, они имеют двойственную природу. В зависимости от того, как мы их наблюдаем, они могут вести себя или как твердые микротела, или как волны.
Частицы – это отдельные твердые объекты, занимающие определенное положение в пространстве. А волны не имеют «тела», они не локализованы и распространяются в пространстве (вспомните волны на море).
В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного местоположения, но существует как «поле вероятностей». В состоянии частицы поле вероятностей «схлопывается» (коллапсирует) в твердый объект. Его координаты в четырехмерном пространстве-времени уже можно определить.
У меня квантовая теория вызывает неуверенность и головокружение. Она описывает микромир так, что он представляется чем-то сверхъестественным, волшебным. Так я смотрел на окружающее в детстве. И что теперь можно сказать обо мне – том мальчишке, мечтателе и фантазере? Я что, бредил? Возможно. Но вот вопрос: где проходит грань между квантовым микромиром и «нашим» миром макрообъектов? Если я состою из субатомных частиц, которые способны творить волшебство… Может быть, я тоже способен на нечто подобное?
Это удивительно, но состояние частицы (волна или твердый объект) задается актами наблюдения и измерения. Не измеряемые и не наблюдаемые электроны ведут себя подобно волнам. Как только мы подвергаем их наблюдению в процессе эксперимента, они «схлопываются» в твердые частицы и могут быть зафиксированы в пространстве.
Но как может быть что-то одновременно и твердой частицей, и текучей волной? Возможно, парадокс будет разрешен, если мы вспомним то, о чем недавно говорили: частицы ведут себя как волны или как твердые объекты. Но понятия «волна» и «частица» – это всего лишь аналогии, взятые из нашего повседневного мира. Понятие волны было введено в квантовую теорию Эрвином Шредингером. Он автор знаменитого «волнового уравнения», которое математически обосновывает существование у твердой частицы волновых свойств до акта наблюдения. Некоторые физики – в попытке объяснить то, с чем они никогда не сталкивались и не могут до конца разобраться, – называют субатомные частицы «волночастицами».
Вниз по кроличьей норе с частицамиКогда Шредингер сформулировал волновое уравнение, Гейзенберг решил ту же задачу с помощью теории матриц. Но математика – штука сложная. Она далека от повседневных, обыденных представлений. К тому же ее понятия не столь образны, как, например, «волна». Поэтому волновое уравнение было принято более благосклонно, чем матричные преобразования. Хотя и то, и другое – лишь аналогии.
Потрясение № 3 – квантовые скачки и вероятность
Изучая атом, ученые обнаружили: когда электроны, вращаясь вокруг ядра, перемещаются с орбиты на орбиту, они не движутся в пространстве, как обычные объекты. Нет, они покрывают расстояния мгновенно. То есть исчезают в одном месте и появляются в другом. Этот феномен назвали квантовым скачком.
Мало того – ученые поняли, что не могут точно определить, где именно на новой орбите появится исчезнувший электрон или в какой момент он будет совершать скачок. Самое большее, что они смогли сделать, – рассчитать вероятность (на основании волнового уравнения Шредингера) нового местоположения электрона.
Пока субатомный объект находится в состоянии волны, неизвестно, во что он превратится, когда его будут наблюдать и он локализуется в пространстве. Он находится в состоянии «множественных вероятностей» (такое состояние называют суперпозицией). Это что-то вроде подбрасывания монетки в темной комнате. С математической точки зрения, даже после того, как она упадет, нельзя определить, лежит она вверх орлом или решкой. Но как только в комнате включается свет, суперпозиция «схлопывается», и мы узнаем: монета стала «орлом» или «решкой». Измерение волны в квантовом эксперименте (подобно свету, падающему на монетку) «схлопывает» квантовую механическую суперпозицию, и образуется частица в «классическом» состоянии.
«Реальность, как мы ее ощущаем, создается в каждый момент времени из совокупности бесчисленных возможностей, – говорит доктор Сатиновер. – Но настоящая тайна – в том, что нет ничего в физической Вселенной, что бы определяло, какая именно возможность из этой совокупности осуществится. Нет процесса, который это устанавливает».
Таким образом, квантовые скачки – единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.
Потрясение № 4 – принцип неопределенности
В классической физике все параметры объекта, включая его пространственные координаты и скорость, могут быть измерены с точностью, ограниченной только возможностями экспериментальных технологий. Но на квантовом уровне всякий раз, когда вы определяете одну количественную характеристику объекта, например скорость, вы не можете получить точных значений других его параметров, например координат. Другими словами: если вы знаете, как быстро объект движется, вы не можете знать, где он находится. И наоборот: если вы знаете, где он находится, не можете знать, с какой скоростью он движется.
Как бы ни изощрялись экспериментаторы, какие бы продвинутые технологии измерений ни использовали – заглянуть за эту завесу им не удается.
Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой физики, сформулировал принцип неопределенности. Суть его в следующем: как ни бейся, одновременно невозможно получить точные значения координат и скорости квантового объекта. Чем большей точности мы добиваемся в измерении одного параметра, тем более неопределенным становится другой.
Меня занимает не то, «почему квантовая физика настолько интересна?», а вопрос «Почему ТАК МНОГО ЛЮДЕЙ интересуется квантовой физикой?» Эта наука бросает вызов общепринятому представлению о мире; она говорит, что самые очевидные вещи, которые мы ЗНАЕМ, таковыми не являются. И все же она очаровывает миллионы людей – даже тех, кто совсем не связан с наукой.
Потрясение № 5 – нелокальность, ЭПР-парадокс и теорема Белла
Альберт Эйнштейн недолюбливал квантовую физику (и это еще мягко сказано!). Оценивая изложенную в квантовой физике вероятностную природу субатомных процессов, он говорил: «Бог не играет в кости с Вселенной». А вот Нильс Бор ему отвечал: «Перестаньте учить Бога, что ему делать!»
Я, должно быть, свела Марка и Уилла с ума, потому что миллион раз на дню спрашивала: «Какое это имеет отношение ко мне? Зачем мне заниматься этим идиотским квантовым миром – в моем мире и так достаточно идиотизма!» И я до сих пор не уверена, что хотя бы кое-как разобралась в квантовой механике. Фред Алан Вольф мне сказал: «Если ты считаешь, что поняла эти вещи, – значит, вообще не представляешь, о чем идет речь!» Но все-таки во всем этом квантовом безобразии я пришла к твердому убеждению: надо наслаждаться хаосом микромира и восхищаться неведомым – ибо оно дарит великие переживания, преобразующие твое сознание.
В 1935 году Эйнштейн и его коллеги Подольский и Розен (ЭПР) попытались нанести поражение квантовой теории. Ученые на основании положений квантовой механики провели мысленный эксперимент и пришли к парадоксальному выводу. (Он должен был показать ущербность квантовой теории.) Суть их размышлений такова. Если мы имеем две одновременно возникшие частицы, то это означает, что они взаимосвязаны или находятся в состоянии суперпозиции. Отправим их в разные концы Вселенной. Затем изменим состояние одной из частиц. Тогда, согласно квантовой теории, другая частица мгновенно приходит в то же состояние. Мгновенно! На другом краю мироздания!
Подобная идея была настолько смехотворна, что Эйнштейн саркастически отозвался о ней как о «сверхъестественном дальнодействии». Согласно его теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. А в ЭПР-эксперименте выходило, что скорость обмена информацией между частицами бесконечна! Кроме того, сама мысль, что электрон может «отслеживать» состояние другого электрона на противоположном краю Вселенной, полностью противоречила общепринятым представлениям о реальности, да и вообще здравому смыслу.
Но вот в 1964 году ирландский физик-теоретик Джон Белл сформулировал и доказал теорему, из которой следовало: «смехотворные» выводы из мысленного эксперимента ЭПР – истинны! Частицы тесно связаны на определенном уровне, выходящем за рамки времени и пространства. Поэтому способны мгновенно обмениваться информацией. Представление о том, что любой объект Вселенной локален – т. е. существует в каком-то одном месте (точке) пространства – не верно. Все в этом мире нелокально.
Каков звук схлопывания одного электрона?
С той поры, как Белл опубликовал свою теорему, ее теоретическое доказательство снова и снова экспериментально подтверждалось в лабораториях. Но задумайтесь о ее сути хотя бы на минуту. Время и пространство – фундаментальные свойства привычной нам реальности – в квантовом мире неожиданно вытесняются существованием постоянной взаимосвязи между объектами. Неудивительно, что Эйнштейн полагал: вывод об этом – смертельный выстрел по квантовой теории. Ведь это бессмыслица…
Тем не менее этот феномен является действующим законом Вселенной. Шредингер говорил, что взаимосвязь между объектами – не единственный интересный аспект квантовой теории, но важнейший. В 1975 году физик-теоретик Генри Стэпп назвал теорему Белла «самым значительным открытием науки». Обратите внимание, что он говорил о науке, а не только о физике.
Квантовая физика и мистика
В прошлом современного человечества – миллиарды генетических предков, которые дали нам совершенное тело и идеально функционирующий мозг. Понадобились тысячи и тысячи лет эволюции, чтобы сегодня мы могли вести с вами вот такие дискуссии о вечном и абстрактном. И если мы существуем на Земле для того, чтобы стать вершиной эволюционного развития Жизни на планете – значит, мы достойны того, чтобы задавать Великие Вопросы.
Теперь нам несложно понять, где у физики и мистики могут быть точки соприкосновения.
Объекты удалены друг от друга, но при этом взаимосвязаны (так как они нелокальны). Электрон перемещается из точки А в точку В, но при этом между ними не появляется. Материальный микрообъект представляет собой (в математическом описании) волновую функцию, но когда его наблюдают или измеряют его параметры, он коллапсирует и существует в пространстве как твердая частица.
Мистицизм безо всяких проблем принимает все эти идеи. Они пронизывали духовные учения задолго до создания ускорителя элементарных частиц. Кстати, и многие из основателей квантовой физики активно интересовались духовными вопросами. На личном гербе Нильса Бора изображен символ «Инь-Ян»; Дэвид Бом был другом индийского мудреца Кришнамурти; Эрвин Шредингер читал лекции об Упанишадах.
Но доказывает ли квантовая теория истинность духовного мировоззрения? Ну, если задать этот вопрос на вечеринке физиков, а потом занять и жестко отстаивать одну из двух возможных позиций… Может так получиться, т. е. существует вероятность (в конце концов, в квантовой физике понятие вероятности играет большую роль!) того, что вы станете причиной массовой потасовки.
И все-таки большинство ученых (ортодоксальных материалистов мы здесь не учитываем) приходит к выводу: параллели между физикой микромира и духовностью слишком явственны, чтобы их можно было игнорировать. И в квантовой теории, и в дзен используется парадоксальная логика и соответствующий взгляд на мир. Как сказал доктор Радин, которого мы уже цитировали выше, «есть другой способ думать о мире; его определяет квантовая механика».
Вопросы о том, что вызывает «схлопывание» волновой функции и действительно ли случайны квантовые скачки, пока остаются без ответа. Мы очень хотим в конце концов получить единую концепцию реальности. Мы очень хотим, чтобы она не только разрешала проблемы квантовой физики, но и включала в себя ответы на духовные вопросы человечества. И тут стоит прислушаться к предостережению философа Кена Вилбера:
«Работа этих ученых – Бома, Прибрама, Уилера и прочих – очень важна, и ее не должны отягощать спекуляции из области мистики. Сама мистика слишком глубока, чтобы ее можно было привлечь в область научного теоретизирования. Позвольте физикам и мистикам оценить друг друга по достоинству, вести диалог, и пусть взаимный обмен идеями никогда не прекращается…
Я считаю: сомнения в истинности некоторых аспектов новой парадигмы не должны подавлять интерес к ее развитию. Ведь критический подход в данном случае – скорее призыв к точности и ясности в определении проблем, которые – и это надо честно признать, – невероятно сложны».
Выводы
Выводы? Да вы, наверно, шутите! Но в любом случае добро пожаловать в мир абстрактного мышления – спорный, запутанный, интригующе таинственный. Наука, мистика, парадигмы, реальность – оцените, как широк спектр человеческих дерзаний, открытий, исследований! Вы только посмотрите, как тщательно и глубоко человеческое сознание изучает этот удивительный мир, частью которого мы являемся!
В этом наше истинное величие.
Подумайте об этом…
• Как в вашей жизни проявляют себя законы ньютоновской физики?
• Определяет ли до сих пор ньютоновская физика вашу парадигму?
• Изменяет ли новое знание о необычном, сверхъестественном мире квантовой физики вашу парадигму? Каким образом?
• Хотели бы вы испытать нечто необыкновенное, выйти за пределы известного?
• Вы можете привести пример из своей жизни, когда испытали на себе влияние мира квантовой физики?
• Кем или чем является «наблюдатель», который определяет состояние и местоположение «частицы»?