Текст книги "Вся физика в 15 уравнениях"

Автор книги: Бруно Мансулье

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 7 страниц)

Странные отношения между пространством и временем

Когда Эйнштейн сформулировал это уравнение в 1905 г., ему было всего 26 лет, и он выглядел простым и вполне симпатичным молодым человеком. Грязные волосы появились только в 1920-х гг., а взгляд «дружелюбного сумасшедшего ученого» – в 1930-х. Но все это еще слишком далеко отстояло от классического равенства: грязные волосы = сумасшедший ученый = непризнанный гений = чудовищные и непредсказуемые последствия.

На заре XX в. в течение более чем 10 лет уже была открыта и сделалась известной радиоактивность; фундамент теории относительности в значительной степени тоже был заложен. Фактически и уравнения Максвелла (см. главу 8) неявно оперировали одним из постулатов теории относительности, а именно тем утверждением, что скорость света в вакууме является постоянной величиной и имеет одно и то же значение независимо от системы отсчета, в которой она измеряется^[24]. Теоретик Хендрик Лоренц смог прочесть зашифрованные в уравнениях Максвелла скрытые смыслы и вывести свои формулы, известные как «преобразования Лоренца», выражающие странные отношения между пространством и временем.

Анри Пуанкаре также заметно продвинулся на этом пути, но его остановила стена из собственных научных предубеждений. Он, будучи титаном науки, заметил, что из уравнений следует замедление времени и сокращение расстояний при движении с большой скоростью. Но как такое могло быть возможно? Пуанкаре ясно представил перспективу решения столь щекотливой проблемы, но не стал развивать идею дальше, полагая, что имеет дело с математическим курьезом и что «настоящая» физическая реальность описывается совершенно другими уравнениями.

Верить по-настоящему…

На этом этапе гениальность Эйнштейна состояла в том, чтобы всего лишь поверить в теорию. В тот момент весь математический аппарат этой теории уже существовал, достаточно было найти правильные слова и постулировать, что эти формулы действительно описывают реальность.

Один маленький шаг и… непосредственным следствием стало E = mc². Интересно, Эйнштейн уже искал объяснение радиоактивности, когда получил это уравнение, или понимание его связи с ней пришло гораздо позднее? Может быть, он просто пытался расширить работу Лоренца и Пуанкаре? Или это явилось результатом его собственных размышлений о пространстве и времени? Было ли важно для этой работы, что в это время Эйнштейн работал на швейцарских железных дорогах и отвечал за их синхронизацию?

Кто является «истинным» творцом новой теории: человек, который строит модель, не веря в ее реальность, воспринимая все как математический парадокс, или тот, кто верит в теорию и ищет именно те математические формулы, которые дадут нужный результат? Мы начинаем строить модель только для того, чтобы описать экспериментальные факты. И вдруг случается так, что именно эта модель дает совершенно иное видение окружающего нас мира.

В современной физике мы знаем несколько таких случаев: Макс Планк и его константа, Эйнштейн и теория относительности, Дирак и его уравнение, – о чем в этой книге будет рассказано позже. Эти «скачки понимания» относятся к философии науки. Однако и для простого физика-экспериментатора, такого как я, знание великих примеров становится стимулом к сохранению ума открытым для принципиально новых концепций.

В своей работе ученые не изобретают каждый день новую теорию мироздания, и каждую неделю не обнаруживается новый яркий неожиданный эффект. Но мы смотрим на любые экспериментальные и теоретические результаты с острым любопытством: как новый результат соотносится с тем, что я уже знаю? Это важный эффект или второстепенный? Большинство из нас не станет новыми Эйнштейнами или Дираками, но даже на нашем скромном уровне важно иметь свою собственную модель мира, свою личную последовательную позицию, с помощью которой можно оспаривать как собственные результаты, так и результаты других. Все, как в старые добрые времена: знай то, что знаешь, и понимай, чего не знаешь…

Энергия Солнца…

Соотношение E = mc² открывает возможность использования чудовищной энергии (громадной в масштабе частицы), высвобождающейся в радиоактивных распадах. Частица с массой M распадается на две частицы с массами m₁ и m₂, причем сумма масс m₁ + m₂ меньше M. Разница в массе между начальной массой M и конечными массами частиц m₁ + m₂ превращается в энергию:

E = [M – (m₁ + m₂)]c².

Скорость света с – очень большая величина, поэтому, несмотря на мизерность масс атомов, выделяемая в ядерных реакциях энергия огромна по сравнению с энергией химических реакций.

Одним из непосредственных и поразительных следствий формулы Эйнштейна стало понимание того, почему светит Солнце. Пока без многих важных подробностей (для них потребуется полувековая эволюция ядерной физики), но формула открыла ученым глаза на существование нового мощнейшего источника энергии, который мог бы позволить нашей звезде производить огромное количество энергии, причем в течение длительного времени!

Примерно в конце XIX в., учитывая известные источники энергии (химические реакции, гравитационный коллапс) и зная массу Солнца, его возраст можно было бы оценить не более чем в несколько миллионов лет^[25]. Этот действительно парадоксальный вывод сделался предметом острой дискуссии о возможном возрасте Солнечной системы и Земли. Чарльз Дарвин наблюдал окаменелости и геологические отложения и определил возраст Земли как минимум равным нескольким сотням миллионов лет, что казалось достаточным для объяснения естественной эволюции видов и строения осадочных пород. Но физики (среди которых был и лорд Кельвин) утверждали, что такая продолжительность горения Солнца на энергии химических реакций была невозможна. Отсюда вытекает, что в то время физики выступали против дарвинизма. Довольно странная ситуация, если смотреть на это глазами наших современников!

Как только Анри Беккерель открыл радиоактивность, была выдвинута следующая гипотеза: радиоактивный распад может давать энергию звездам, включая Солнце. Но это именно та самая формула E = mc², и расчеты подтвердили, что это может дать удовлетворительное объяснение наблюдаемой продолжительности жизни звезд. После череды замечательных достижений в ядерной физике был открыт механизм ядерного синтеза. Теперь расчет времени жизни звезд опирался на строгую количественную основу. И в 1920 г. сэр Артур Эддингтон сделал следующее заявление:

«Если действительно субатомная энергия в звездах свободно используется для поддержания горения их гигантских печей, то это, кажется, немного приближает нас к осуществлению мечты о контроле этой скрытой силы для процветания человеческой расы – или для ее самоубийства».

…и атомной бомбы

Применение уравнения E = mc² ограничивалось теоретическими и экспериментальными исследованиями в области фундаментальной теории элементарных частиц вплоть до 1938 г., когда Отто Ган и Лиза Мейтнер^[27] (с помощью Фрица Штрассмана и Отто Фриша) обнаружили спонтанное деление ядер атомов урана. Затем было открыто, что существует возможность возникновения цепной реакции деления ядер, которая практически одномоментно способна вовлечь в процесс деления большое количество атомов, содержащихся в нескольких килограммах урана или плутония, высвобождая огромное количество энергии. Это уже относилось не к абстрактной теории микроскопических частиц или бесконечно далеких звезд; такая реакция могла быть запущена человеком с использованием вполне доступных в природе элементов, таких как уран, и тем самым открыть путь к высвобождению гигантской энергии из крошечного количества материи.

Чтобы понять, о каком масштабе энергии идет речь, замечу, что энергия по формуле Эйнштейна, запасенная в куске угля, если бы только ее удалось высвободить, примерно в миллион раз больше энергии, которая может быть получена при сжигании того же куска. Возможность применения энергии ядерного распада для создания оружия была замечена почти сразу и повсеместно.

Стало ли случайным совпадением то, что данное утверждение было сделано во время чрезвычайно беспокойных политических потрясений в самом центре катастрофы и в ее культурном сердце, в то время как многие авторы подобных открытий, такие как Альберт Эйнштейн и Лиза Мейтнер, подвергались смертельной опасности^[28]? Можем ли мы думать, что разум и мораль работали (на этот раз) вместе, чтобы победить мракобесие и варварство? Кстати, не исключено, что в других случаях они сговорились склонить чашу весов в другую сторону. И если да, то когда?

Все остальное – известная история: призыв Эйнштейна к Рузвельту, чтобы убедить его создать атомную бомбу раньше нацистской Германии, сверхбыстрое развитие «Манхэттенского проекта» в США и, конечно же, ужасный конечный результат в Хиросиме и Нагасаки. Во время первого ядерного испытания (так называемого «Тринити») Оппенгеймер, один из физиков, руководивших американской бомбовой программой, вспомнил отрывок из Бхагавад-Гиты: «…ярче тысячи солнц»^[29]. И этим было сказано все.

Эта история навсегда пометила E = mc² и вместе с тем ядерную науку, а в свою очередь и всю науку, как первородный грех. И теперь стали возможны любые страхи, фантазии и различные манипуляции. Мы должны найти способ увидеть произошедшую историю со стороны, если, конечно, готовы честно отвечать на новые вызовы, встающие перед научной этикой. В любом случае, эту поучительную историю должны помнить и знать каждый физик, и, наверное, каждый ученый^[30].

Глава 10

Уравнение Шредингера

Квантовая механика… Сколько юных физиков грезило ею, и я, естественно, был в их числе. Дверь в зыбкий, поэтический мир, полный случайностей и флуктуаций… полный волшебных тайн: частицы, летящие по всем траекториям одновременно, которые не останавливаются даже перед стеной, и, конечно же, коты, которые одновременно и живы, и мертвы. Я всегда ненавидел этот образ несчастного старого кота Шредингера. Что за странная мысль пришла тебе в голову, Эрвин, ведь можно же было выбрать менее раздражающий пример?! В некоторых учебниках встречаются наложенные друг на друга рисунки бойкого кота и жалкого трупа. Во время публичных выступлений я всегда использую образ Чеширского Кота из «Алисы в Стране чудес», который появляется или исчезает, оставляя после себя лишь улыбку. Подозрительно квантовый кот на самом деле, появившийся задолго до того, как были написаны соответствующие уравнения…

Не живой и не мертвый кот Шредингера по-прежнему остается предметом изучения для физиков и объектом многих радикальных фантазий среди непосвященной публики. Но уравнение австрийского физика радикально изменило наше представление о материи. Конечно, квантовая теория, как и все уравнения и теории, не родилась из ничего. Еще до того, как она была сформулирована и написаны ее уравнения, Планк, Эйнштейн и Луи де Бройль уже интерпретировали – в самом начале XX в. – экспериментальные наблюдения в терминах «квантовой механики», но это был скорее набор правил, позволяющих описать результаты, а не другое видение материи.

«Пси» – это «психо»?

Уравнение Шредингера впервые однозначно постулировало, что материя ведет себя совершенно иначе, чем нам указывают наши чувства. И это действительно (и самым потрясающим образом) так и есть! Следите внимательно за руками: все физические объекты^[31] – это не частицы, а «волновые функции» (ψ в уравнении). На практике это некие математические функции, зависящие от координат и времени и принимающие комплексные значения, модуль которых (их «длина») означает вероятность нахождения частицы в точке с соответствующими координатами в данный момент времени, а не где-то еще. Энергия больше не числовая величина, а математический оператор (H в уравнении), который каким-то образом меняет результат измерения при его проведении. Добавьте к этому таинственную постоянную Планка h и мнимую единицу i (знаменитое комплексное число, такое, что i² = -1, которым очень любят путать старшеклассников), и в вашем распоряжении все ингредиенты, необходимые для столь мистического, почти философского уравнения. Неудивительно, что сам Шредингер стал адептом ведических исследований!

Кстати, волновая функция обозначена греческой буквой ψ, которая читается как «пси»! Странная коннотация, которая способствует опасному столкновению между квантовой механикой и психикой. И вправду верно, что наблюдатель играет центральную роль в квантовой механике, поскольку именно наблюдение за измерением определяет состояние системы. Человек и его сознание находятся в центре современной физики, и все это является источником распространенных и элегантных вопросов, которые выходят далеко за рамки данного текста^[33].

Однако наивное сходство между ψ и «психо» также допускало всевозможные вольные трактовки и злоупотребления. Таким образом, мы, к сожалению, сделались свидетелями того, как несчастная квантовая теория использовалась в качестве кладези терминологии для всевозможной выдуманной чуши: паранормальных явлений, «квантового человека», «квантовой психологии и терапии» – ученик Лакана даже написал «квантовая (sic) формула сексуализации»! В этих бреднях все становится возможным благодаря действию «пси» или «психо»: сгибание чайных ложек силой мысли, исцеление страшных болезней и т. д.

Я должен, к сожалению, признать, что физики иногда являлись преднамеренными соучастниками частых ошибок, но больше из-за юмора, чем по злому умыслу. Например, среди профессионалов серьезно говорят о «квантовой телепортации». Возможно, им стоило бы, в конце концов, объяснить общественности, что речь идет не о том, чтобы провести выходные на другом конце галактики, а о воссоздании особого квантового состояния довольно простой системы из одной-единственной частицы «всего лишь» с помощью передачи информации. Разумеется, можно выбрать другое название, но это выглядело слишком соблазнительным!

Первое квантовое головокружение

На самом деле нет никакой необходимости в каких-либо двусмысленных «пси» или «психо» либо телепортации, чтобы почувствовать квантовое головокружение. Студенты сначала изучают уравнение Шредингера в университете. Поскольку им мало что известно об истории наук (по крайней мере, во Франции) и недостаточно времени предоставляется, чтобы познакомиться со всеми экспериментами и той линией теоретических рассуждений, которая их предваряла, думающие студенты вполне обоснованно задаются вопросом: как Шредингер открыл это уравнение буквально на кончике пера? Однако само по себе данное уравнение очень простое, поэтому первый практический расчет можно выполнить довольно быстро.

Пример № 1. В некоем материале высверливается небольшое отверстие, на дне которого находится частица (или просто очень маленький шарик). Необходимо рассчитать движение частицы. Если правильно подставить все константы и корректно определить переменные, решение уравнения окажется элементарным. Результат немного странный, но вполне понятный: решения, в котором эта частица неподвижна, просто не существует. Наименьшее допустимое движение – это не ноль (или неподвижность), а легкое колебание на дне скважины.

Затем следует еще один сюрприз: если мы захотим увеличить амплитуду движения, то не сможем выбрать ее произвольно, так как она должна быть кратна некой минимальной амплитуде: в два раза больше, в три раза больше и т. д.

Ну, действительно немного странно, хотя, казалось бы, в названии курса говорилось об этом: раз речь идет о квантовой механике, можно ожидать сколько угодно чудес. Однако ничего революционного: амплитуды движения квантуются, вместо того чтобы изменяться непрерывно, как в классической механике. Но и это еще не столь великое потрясение, которого ожидали студенты! Что обнадеживает: ситуация представляется довольно знакомой, не такой уж далекой от «классической»…

Пример № 2. Рядом (или не очень) с первым отверстием высверливается второе. После чего частица опускается на дно первого, как в примере № 1. Решение этой задачи ненамного сложнее первой, и в результате получается формула для вероятности нахождения в первом отверстии, которая выглядит чуть сложнее. Затем следует продолжение задачи: нужно вывести вероятность нахождения частицы во втором отверстии. Мы тщательно вычисляем и вдруг обнаруживаем, что… эта вероятность не равна нулю. Опять проводим все вычисления, дабы проверить, что ничего не забыли и не перепутали параметр или знак. Но нет: помещая частицу в отверстие (1), существует ненулевая вероятность найти ее в отверстии (2).

Все просто и понятно. Нет никакой «классической» аналогии или интуиции, на которую можно было бы опереться: добро пожаловать в квантовый мир!

Этот контринтуитивный мир…

На данном этапе мы можем лишь на какое-то время остановиться, пытаясь осознать, что реальность является квантовой, и постараться построить новые интуиции. Это очень трудно, так как новая реальность вовсе не соответствует тому, о чем нам хотят донести органы чувств. Причем настолько не соответствует, что требуются годы практики только для того, чтобы не наговорить слишком много лишнего…

Вам наверняка встречались задачи «с подковыркой», которые часто встречаются в научно-популярных журналах или на олимпиадах для школьников. Цель их состоит в том, чтобы повысить уровень интуитивного понимания проблемы читателями, задав им, казалось бы, простой и однозначный вопрос. Например, такой: в бассейне плавает лодка с человеком и тяжелым, плотным камнем на борту. Уровень воды в бассейне при этом известен и отмечен. Человек бросает камень в бассейн. После того как разойдутся круги на воде, снова измеряется уровень воды в бассейне. Повысится или понизится этот уровень по сравнению с тем, что был до того, как бросили камень^[34]? Для физика такое упражнение кажется элементарным, но это не относится к его квантовому эквиваленту…

Я не специалист, чтобы разбираться во всех тонкостях квантовой механики, однако изучал ее достаточно глубоко. Мне постоянно приходится использовать основы данного раздела физики в своей повседневной работе с элементарными частицами. Однако если кто-либо из экспертов предложил бы мне аналогичный тест в его квантовой версии, я не был бы уверен в правильности ответа без проведения реальных вычислений. И это притом, что в связи с ежедневными занятиями моя жизнь частично проходит в квантовом мире. Однако данное знание зыбко и непрочно: сила интуиции, диктуемая нашими чувствами и повседневным опытом, непреодолима, а здравый смысл может быть каким угодно, только не квантовым!

Множество приложений

После первого квантового головокружения приходит озарение. В учебной аудитории мы узнаем решение уравнения Шредингера для электронов в атоме. Это немедленно открывает огромное пространство: мы вдруг понимаем механизм излучения или поглощения света атомами на определенных длинах волн. Сразу же становится видно, что свет, испускаемый нагретым атомным паром, содержит однозначную информацию, позволяющую определить его атомы, своего рода портрет или отпечаток пальца, если угодно^[35]. Теперь можно определить химический состав вещества на расстоянии, в лаборатории или на далеких звездах. Еще один результат: эффект Доплера позволяет измерить скорость этого атома относительно нас, даже если атом находится на другом конце Вселенной.

Затем начинаются бесчисленные практические приложения, физика твердого тела, полупроводники, транзисторы, электроника, необычайное развитие микроэлектроники, которая теперь упаковывает в смартфон компьютер более мощный, чем суперкомпьютер 1970-х гг.

Все это практично, надежно, полезно. Люди переговариваются друг с другом от континента к континенту, экраны информируют и развлекают, рынки идут вверх и вниз со скоростью света к лучшему и к худшему. В последнем случае скорее к худшему.

И все же великая квантовая механика с ее парадоксами все еще с нами! Большинство практически думающих физиков, застенчиво улыбаясь, отворачивается, в то время как другие задумывают и проводят чудесные эксперименты, чтобы понять, действительно ли квантовая механика работает именно так, как мы себе представляем. И результатом таких экспериментов почти всегда, от раза к разу, является положительное «да». Шредингер был прав: мы не можем доверять нашим чувствам. И его кошка, действительно живая, показывает свою самую красивую улыбку, или ухмылку… настоящую улыбку кота^[36]…

Глава 11

Соотношение неопределенностей Гейзенберга

Эта формула представляет собой самое сердце, самую сокровенную тайну квантовой механики. Смысл ее очень прост и в то же время абсолютно невероятен: само понятие об индивидуальности отдельных частиц, их положении, траекториях и скоростях становится сомнительным и неопределенным. Поэтому я постараюсь объяснить это более подробно. Не бойтесь, математика останется элементарной: всего лишь несколько умножений!

Вы сразу заметили, что обычный знак равенства (=) здесь заменен на знак «больше или равно» (≥). Поскольку это всего лишь неравенство, то данную формулу невозможно использовать непосредственно для вычисления параметров движения или энергии процесса.

Основа квантовой неопределенности

Это неравенство не является физическим законом в строгом смысле как некое правило получения одних величин через другие. Оно скорее описывает следствие законов, а в данном случае – квантовой механики. Предметом неравенства Гейзенберга является самая простая система, которую только можно себе представить: изолированный движущийся квантовый объект. В этом случае ∆х – это погрешность измерения положения объекта на координатной оси, выраженная для примера в метрах. Погрешность – это неопределенность в измерении координаты объекта, численно равная размеру интервала, в котором этот объект гарантированно может быть обнаружен. Например, ∆х = 1 мм означает, что положение частицы известно с точностью до 1 мм. Символом p_x обозначается импульс частицы, который равен произведению массы на скорость^[37]:

p_x = mv_x.

Так же, как и для координаты, ∆p_x – это погрешность измерения импульса; поскольку масса m постоянна во время движения, неопределенность импульса просто связана с неопределенностью скорости:

∆px = m∆vx.

Итак, если мы измеряем скорость объекта с точностью до 1 м/с, неопределенность составит ∆v_x = 1 м/с^[38].

В правой части неравенства, выражающего соотношение неопределенностей, используется постоянная Планка ħ, универсальная мировая константа, аналогично скорости света в вакууме или гравитационной постоянной (глава 4). В своей формуле Гейзенберг утверждает, что произведение неопределенностей или погрешностей измерения положения и скорости объекта всегда будет больше некой фиксированной величины, независимо от характера движения.

Этот несовершенный мир…

Представим, что я великий физик и, гордый своими научными сверхспособностями, построил фантастический детектор. С его помощью можно измерить положение частицы с идеальной точностью, которая имеет вполне конкретное математическое выражение: интервал неопределенности равен нулю: ∆х = 0 мм.

Хорошо. Но в этом случае левая сторона неравенства Гейзенберга также становится равной нулю. Невозможно, чтобы 0 был больше деленной на два постоянной Планка справа, которая вовсе не равна нулю. Следовательно, невозможно определить положение с идеальной точностью. Ну хорошо, а как же скорость? Ровно то же самое рассуждение: если погрешность скорости равна нулю, то значение ∆v_x равно 0, и вся левая сторона неравенства равна 0, что опять же невозможно. В этой новой механике запрещено измерять положение или скорость с идеальной точностью!

Но наш повседневный мир остается точным!

Однако в окружающем нас мире положение объектов, по-видимому, не подвержено какой-либо неопределенности. И скорость: вряд ли дух Гейзенберга поможет обмануть дорожную камеру!

Вот в чем хитрость: значение ħ крайне мало, настолько, что соотношение неопределенностей не ограничивает точность измерения для обычных объектов. Например, давайте рассмотрим мраморный шарик весом в 1 г, положение которого мы хотим измерить с точностью до 1/10 мм и скорость с точностью до 1 мм/с. Это очень хорошая точность для отслеживания движения такого объекта. Произведение ∆х m • ∆v_x по-прежнему в 10²⁴ раз (100 000 млрд млрд) больше минимального ħ/2. Вполне комфортное преимущество!

Однако одиночные атомы, атомные ядра и элементарные частицы постоянно живут на грани предела Гейзенберга. Их положение и скорость становятся размытыми понятиями и могут быть определены только статистически, например по большому количеству измерений.

Совершенно чистая случайность

Еще более странно: не только измерения координат и скоростей частиц, но и сами события, происходящие с ними, подчинены неопределенности, что впервые было продемонстрировано при изучении радиоактивного распада, открытого Анри Беккерелем в 1896 г. Некоторые атомы, найденные в природе или полученные искусственным путем, радиоактивны. Это означает, что их ядро может самопроизвольно распадаться, производя другие, как правило, более мелкие ядра и частицы. Учитывая, что даже в очень малых количествах вещества число атомов весьма велико, мы каждую секунду можем видеть распад вполне заметной их части. Но если изучать одиночный, изолированный атом, становится понятно, что из-за соотношения неопределенностей Гейзенберга, в принципе, невозможно узнать, когда он распадется.

Это расстраивает, потому как интуиция, построенная на наших чувствах, требует нахождения причины, механизма для любого события, которое мы наблюдаем. Однако никакого механизма на самом деле нет. После того как была открыта квантовая механика, ученые искали скрытый механизм, какой-то процесс, который бы контролировал распад радиоактивного атома. Казалось, что можно представить себе каждый атом запрограммированным в момент своего образования на распад через определенное время, или в атоме что-то изнашивается, ухудшая его состояние, пока он окончательно не распадется, как нить в перегоревшей лампочке накаливания.

В самом деле, это вполне могло бы быть, но никакого подобного механизма обнаружено не было. Многие различные эксперименты показали, что начало распада является чисто случайным: атом абсолютно похож на все остальные, что находятся рядом с ним… пока вдруг не случится распад! Если этот факт еще не подтвердился, вероятность того, что он произойдет в течение следующего часа, точно такая же, как и вероятность того, что данный атом должен был распасться в течение одного часа миллиарды лет тому назад.

Действующий, но загадочный «механизм»

Однако это вовсе не означает, что законы квантовой механики подвержены неопределенности. В частности, они позволяют с необычайной точностью предсказывать абсолютно достоверные значения физических свойств элементарных частиц: энергетические уровни, вероятность обнаружения, взаимодействия и др. Практические применения этих расчетов многочисленны: свойства полупроводниковых материалов для электроники, лазеров, структура молекул, химия и биохимия. И это только начало. В настоящее время ученые ищут способ создать так называемый квантовый компьютер, в котором можно было бы воспользоваться этой зыбкой нечеткостью, выполняя сложные вычисления параллельно с большим количеством частиц (электронов или фотонов), а не шаг за шагом при помощи одиночного процессора.

Нет никаких сомнений в том, что квантовая механика работает, даже если еще не все ее тайны разгаданы. Неопределенность в измерении интуитивно очевидных величин, таких как положение, скорость, время жизни, глубоко волновала многих ученых и философов. Ученые искали скрытые переменные, которые вернули ли бы на место интуитивную схему причинно-следственных связей. Эти скрытые переменные, однако, так и не нашли, но для их поиска были задуманы прекрасные эксперименты (в 1960-х гг. в работах Джона Белла), выполненные в 1980-х гг. исследователем Аланом Аспектом, после чего повторены многими другими^[39]. Результаты экспериментов были однозначны: нет никаких скрытых переменных, и, несмотря на странное поведение частиц, следующих двумя путями одновременно или, кажется, заранее знающих, что мы будем делать с ними, даже прежде чем мы сами решим это, квантовая механика всегда предсказывает правильный результат.

Теперь физикам не приходится беспокоиться, ибо наиболее распространенным отношением к проблеме скрытых смыслов является ее игнорирование. Большинство видит только поразительную эффективность квантовой теории для описания окружающего нас мира. Однако вопросы в области фундаментальных основ квантовой теории на самом деле существуют, являясь источниками интеллектуальной и практической научной обеспокоенности^[40]. Сила воображения, необходимая для того, чтобы проверить теорию на прочность, – великолепный пример творчества, научной строгости и экспериментальных навыков (я говорю об этом совершенно свободно, поскольку это не моя экспериментальная область!).

Прогресс как устаревшая концепция?

Некоторые рассматривали квантовую неопределенность как один из примеров изменения фундаментальных основ научного знания. Вторым примером можно было бы считать открытие хаоса, о котором мы говорили в главе о гравитации, а третьим – теорему Геделя о неполноте.

В квантовой механике соотношение неопределенностей Гейзенберга запрещает сколь угодно точные предсказания скорости и положения частиц. Однако мы видели, что обычная гравитация в системе трех и более тел дает совершенно хаотические решения, которые делают почти невозможными предсказания положений планет через несколько десятков миллионов лет. Наконец, примерно в 1930 г. математик Курт Гедель продемонстрировал, что простейшая арифметика содержит предположения, которые не могут быть доказаны и, соответственно, не могут считаться ни истинными, ни ложными^[41].

Эти три примера имеют нечто общее: возникшие на рубеже XIX–XX вв., они указывали на внутренние пределы научного знания. В 1970-е гг. некоторые интеллектуалы пытались интерпретировать указанные ограничения, признаваемые самой наукой, как элемент «постмодернистского» сомнения в легитимности науки и прогресса.

Конечно, все сомнения и вопросы имели непосредственные и совершенно конкретные причины, более понятные широкой общественности, например роль науки в создании ядерного оружия, уничтожение окружающей среды, проблемы общества потребления и т. д. Но то, что наука сама признавала пределы своего могущества, играло определенную роль в интеллектуальных и властных кругах. Вырванные из контекста слова «неопределенность», «хаос», «неполнота» стали символами бессильной, бесполезной и даже аберрантной^[42] науки.