Текст книги "Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной"
Автор книги: Маркус Чоун (Чаун)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)
Маркус Чоун
Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
Карен и Джо, с любовью.
Маркус
Вступление
Идея этой книги проста: взять до боли знакомые черты обыденной жизни и показать, каким образом эти черты, в свете современных научных представлений, могут поведать нам глубочайшие истины о природе реальности; прочитать космические письмена на белой бумаге повседневности. Иначе говоря, если вспомнить слова Уильяма Блейка, увидеть «огромный мир в зерне песка». Или в падающем листе. Или в розе. Или же в ночном небе, усеянном звездами…
Например:
– ваше отражение в оконном стекле расскажет вам о потрясающих научных открытиях, о том, что в глубинах Вселенной все подчиняется случайности, а все происходящее в конечном счете не имеет причины;
– тот факт, что железо повсюду – и в машинах, на которых мы ездим, и в основе зданий, где мы работаем, и даже в крови, что бежит по нашим венам, – предполагает, что где-то в глубинах космоса должна иметься печь, раскаленная до температуры 4,5 миллиона градусов;
– тот факт, что на Земле нет пришельцев – ни праздно ошивающихся на улицах, ни летающих в небесах, подобно ангелам, ни материализующихся и дематериализующихся, как команда «Энтерпрайза», – говорит вам о том… Да, собственно, мы толком не знаем, о чем же он говорит. Быть может, мы – первый разум, существующий в нашей Галактике, даже во всей Вселенной, страдающий от ощущения космического одиночества из-за того, что на Земле не с кем больше поговорить. А может, сама Вселенная настолько опасна, что способна уничтожить любую расу, свободно гуляющую по космосу, прежде чем ей удастся подобраться к нам. Этот факт – отсутствие пришельцев – одно из тех повседневных наблюдений, для которых ваше объяснение, честно говоря, будет ничем не хуже моего.
Мысль написать о том, что окружающий мир может рассказать нам о Вселенной, пришла ко мне в тот период, когда, выпустив одну книгу, я занимался ее рекламой, а к следующей еще не приступил. Когда пишешь, ты пребываешь в состоянии «всё или ничего». В процессе работы я веду большей частью затворническую жизнь, и компанию мне составляют лишь мои золотые рыбки – Георг и Рег (была еще Лаура, но, к сожалению, пока писалась эта книга, она ушла в мир иной). Однако в короткий период между книгами – тот самый рекламный период – я, словно оправившись после болезни, постоянно бываю на людях, меня будто несет вихрь общительности. Навыки, требуемые для рекламы произведения, коренным образом отличаются от тех, которые нужны для написания книги. Когда я даю интервью радийщикам, в моем распоряжении всего несколько минут, за которые я должен сказать нечто такое, что засядет в умах слушателей. Выступая с публичными лекциями перед читателями, я отдаю себе отчет, что у большинства в аудитории, возможно, нет научной подготовки. И вот, во время одного из таких выступлений, я неожиданно для себя (хотя это была вполне очевидная вещь) осознал, что, беседуя с неспециалистами, я стремлюсь прицепиться к какому-нибудь повседневному наблюдению, а затем увязать его с серьезной физической проблемой, которой оно служит примером.
К примеру, в 2008 году на Эдинбургском международном фестивале науки мне нужно было высветить основной парадокс, который приводит нас к квантовой теории (это лучшее на сегодняшний день описание микроскопического мира атомов и их составляющих). Недолго думая, я указал на лампу накаливания, горевшую в аудитории, и объявил, что световые волны, исходящие из нее, примерно в пять тысяч раз больше, чем сами атомы. Затем я достал из кармана спичечный коробок и сказал: «Давайте вообразим, что я открываю этот коробок, а из него выезжает сорокатонный грузовик. Вотна что похож свет, изливающийся из лампочки».
А затем в один прекрасный день лампочка вспыхнула в моей собственной голове. Я задумался: почему бы мне не написать книгу, в которой каждая глава, опираясь на какое-нибудь простое ежедневное наблюдение, покажет, какая поразительная глубинная реальность скрывается за этим наблюдением? Вот так, простенько и со вкусом. Как же я не додумался до этого раньше? Внезапно я увидел, как все вещи, о которых я хотел написать, собираются в единое целое. Их словно бы соединила мощная связующая нить.
Я испытал невероятное возбуждение. Но тут же забеспокоился – не повторю ли я самого себя? Тем не менее у меня есть надежда, что, хотя я и возвращаюсь к вещам, о которых говорил в предыдущих книгах, например в «Волшебной печи» (1999) или в той, что называется «Квантовая теория не может вам навредить» (2007), на сей раз я сделаю рассказ более глубоким и представлю вещи в новом свете. Хороший пример этому – загадка, которой уже более четырехсот лет: почему ночью небо темное? Как и 99 процентов астрономов, я склонен был полагать, что чернота ночного неба говорит нам следующее: Вселенная не существовала вечно, а зародилась,и доказательство того, что все началось с Большого взрыва, было у нас перед глазами каждую ночь, на протяжении всей истории человечества, нам только не хватало смекалки, чтобы понять это. По-моему, я даже писал об этом в книге «Зарница Творения» (1993). Теперь же я понимаю, что полуночная тьма говорит нам совсем не об этом. Большинство астрономов не правы. И, как ни странно, первым из всех людей на свете, кто уловил проблеск истины, был Эдгар Аллан По.
Еще одна тема, к которой я здесь возвращаюсь, с тем чтобы сказать больше и лучше, – бесконечное разнообразие мира, в котором мы живем. В конечном счете этим разнообразием мы обязаны принципу Паули, который запрещает электронам сидеть друг на друге и, таким образом, отвечает за то, что существует много видов атомов, а не только один. Я знал, что в книге «Квантовая теория не может вам навредить» мое объяснение было неполным. Я сумел показать, как природа позволяет двум, казалось бы, неразличимым частицам проявлять две отчетливо различимые манеры поведения: либо стадную, либо асоциальную. Затем я сообщил, что природа пользуется обеими возможностями. Частицы с определенным типом «спина» получаются асоциальными – например, электроны, – тогда как частицы с другим типом спина – допустим, как фотоны – ведут себя как стадо. Но вот что я не пояснил: какое, черт побери, отношение имеет спин к поведению, выбираемому частицей?! Я дал только половинуобъяснения. В свое оправдание могу сказать, что самому Вольфгангу Паули [2]2
Вольфганг Эрнст Паули (1900–1958) – швейцарский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 г.
[Закрыть], предложившему принцип запрета в 1925 году, потребовались пятнадцать лет, чтобы объяснить, каким образом спин увязывается с «общественным» или «антиобщественным» поведением частиц. Лишь в 1940 году он сформулировал свою теорему о связи спина со статистикой. Поэтому я не считаю, что я так ужплох. Однако надеюсь, что здесь, в этом своем сочинении, я смог дать исчерпывающее объяснение – такое, какого не существует, насколько я знаю, ни в одной другой книге. Все это должно показать, что мое собственное понимание различных вещей и явлений постоянно развивается и что в моих книгах я не только пытаюсь поведать читателям то, что знаю, но и сам всячески стараюсь как можно лучше разобраться в этих вещах и явлениях, дабы удовлетворить собственное любопытство.
Да, я говорю о том, насколько важно для нас разнообразие природы и насколько значительна картина темного ночного неба, но помимо этого я рассуждаю и о другом: сложность нашего мира сообщает нам не только то, что Бог играет в кости со Вселенной (у Эйнштейна эта идея вызывала глубокое отвращение), но также то, что, если бы Он этого не делал, никакой Вселенной не было бы вообще. Я также размышляю о том, как получилось, что однонаправленность времени – причина, по которой мы становимся старше, а не молодеем, – возникла, судя по всему, тогда же, когда «включилась» гравитация, – примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Это открытие совершил американский астрофизик Ларри Шульман (р. 1941), пока я писал свою книгу. И еще я описываю открытие Стивена Хокинга, также сделанное, пока я работал над этой книгой: тот факт, что мы живем в не-квантовом мире, в мире, в котором ни один человек никогда не пройдет сквозь две двери одновременно, подразумевает, что в прошлом наша Вселенная претерпела взрывное, сверхбыстрое расширение. Это, безусловно, одно из самых поразительных заключений, к которым нас подталкивает повседневная практика, и вместе с тем оно подчеркивает, насколько уникален гений Хокинга. В книге есть еще много чего другого, однако вступление и так получилось слишком длинным. Надеюсь, вы получите удовольствие от чтения.
Маркус Чоун Лондон Февраль 2009 г.
Часть 1
Что повседневная реальность рассказывает нам об атомах
1. Лицо в окнеКогда вы стоите перед окном, самое потрясающее открытие в истории науки – то, что все происходящее в конечном счете не имеет никакой причины, – буквально таращится на вас
Нет прогресса без парадокса.
Джон Уилер, 1985 [4]4
Джон Арчибальд Уилер (1911–2008) – американский физик-теоретик, член Национальной академии наук США. Научные работы Джона Уилера относятся к ядерной физике, проблеме термоядерного синтеза, специальной и общей теории относительности, единой теории поля, теории гравитации, астрофизике.
[Закрыть]
Поздний вечер. Идет дождь. Вы мечтательно смотрите из окна на огни большого города. Сквозь сбегающие струйки воды вы видите проезжающие по улице машины и собственное размытое отражение. Хотите верьте, хотите нет, но это простое наблюдение сообщает вам нечто очень важное – потрясающе важное! – о фундаментальных основах окружающей вас реальности. Оно говорит о том, что Вселенная – на глубинном уровне – случайна и непредсказуема, как небрежный бросок игральных костей; о том, что все, происходящее в этом мире, не имеет на то никакой причины.
Причина того, что вы видите городские огни за окном и одновременно с этим легкое отображение собственного лица, взирающего на вас, заключается в том, что сквозь стекло проходит 95 процентов света, а 5 процентов – отражаются. Это легко понять, если представить свет в виде волн, подобных ряби на воде, – уж рябь-то всякий видел. Вообразите себе несущийся по озеру катер. От носа катера разбегаются волны. На их пути встречается подтопленное бревно. Большинство волн побегут дальше, словно не встретив никакого препятствия, но малая часть откатится назад. Так и со светом: большая часть волн проникнет сквозь окно, а меньшая – отразится.
Это очень простое объяснение того, почему вы видите в оконном стекле свою собственную персону. Оно явно не подразумевает ничего такого, что имело бы отношение к фундаментальным основам реальности. Однако впечатление обманчиво. Свет – совсем не то, что нам кажется. У него в запасе имеется хитрость, которая опрокидывает эту простую картинку и ставит все с ног на голову. В двадцатом веке физики обнаружили ряд эффектов, из которых следовало, что свет распространяется не как рябь по воде, а как поток частиц, летящих подобно пулям. Взять хотя бы эффект Комптона, выявивший нечто странное в том, как свет отскакивает от электрона – или, иначе говоря, «рассеивается» на нем. Электрон был открыт в 1897 году кембриджским физиком Джозефом Джоном («Джей-Джей») Томсоном. Эта крохотная частица оказалась намного меньше атома и, по сути, представляла собой его ключевую составляющую.
В 1920 году американский физик Артур Комптон решил разобраться, что же происходит со светом, когда он попадает на электрон. Комптон исходил из того, что световая волна должна отскакивать от электрона, подобно тому как волна на реке отражается от буйка. Если вы это видели, то знаете, что в этом случае размер волны – или ее «длина» – остается неизменным. Иными словами, расстояние между соседними гребнями одно и то же как для набежавшей волны, так и для отраженной.
Однако в эксперименте Комптона все было совсем не так. После того как световая волна отражалась от электрона, ее длина увеличивалась. И чем сильнее изменялось направление движения света в результате столкновения, тем больше менялась длина волны. Получалось, что простой «отскок» волны от электрона волшебным образом превращал голубой свет, характеризующийся короткой длиной волны, в красный, у которого длина волны больше [5]5
На самом деле Комптон использовал не видимый свет, а рентгеновские лучи. Это высокоэнергетическое излучение настолько обаятельно, что запросто выманивает электроны из атомов. Фактически они реагируют на рентгеновские лучи так, как если бы были свободно плавающими электронами, а не частицами, связанными прочными узами с атомным ядром. (Прим. автора).
[Закрыть]. Выходит, длинные – «вялые» – волны обладают меньшей энергией, чем короткие – «буйные». Эксперимент словно бы говорил Комптону: когда свет «отскакивает» от электрона, он каким-то образом теряет энергию.
Комптон мысленно рисовал картины того, что происходит со светом и электроном, и эти картины были абсолютно противоестественные. Свет в его опытах вел себя как угодно, но только не так, как ведет себя волна, отразившаяся от буйка. Чем больше Комптон думал об этом, тем больше осознавал, что свет ведет себя как бильярдный шар, столкнувшийся с другим бильярдным шаром. Когда по шару ударяет биток, шар отскакивает, унося с собой некоторую часть энергии битка. При этом биток неизбежно теряет энергию. В те времена считалось, что электроны похожи на крохотные бильярдные шары, а свет – это нечто вроде ряби, распространяющейся в пространстве, подобно тому как волны бегут по воде. Однако опыты Комптона говорили ясно и четко: вопреки свидетельствам, копившимся столетиями, свет тоже должен состоять из частичек, похожих на крошечные бильярдные шары. За свою революционную работу, установившую корпускулярно-волновую природу света, Комптон в 1927 году получил Нобелевскую премию по физике.
Еще одно доказательство того, что свет ведет себя, как поток частиц, – это фотоэффект, знакомый каждому, кто видит, как двери в супермаркете, если к ним приблизиться, расступаются, словно воды Красного моря перед Моисеем. Двери расходятся по той причине, что нога входящего пересекает луч света. Этот луч постоянно освещает фотоэлемент – устройство, в котором содержится некий металл, способный с легкостью разбрызгивать вокруг электроны, когда на него попадает свет. Это происходит потому, что в таком металле электроны не так уж крепко держатся за свои атомы и энергии света оказывается достаточно, чтобы они пустились в свободный полет. Когда какой-то предмет перекрывает луч света, фотоэлемент оказывается в тени, и атомы перестают брызгать электронами. Система налажена таким образом, что, стоит потоку электронов прерваться, дверь открывается.
Но какое же отношение имеет фотоэффект к корпускулярной природе света? Если свет – это волна, то практически невозможно объяснить, как она может эффективным образом сообщать энергию крохотным, локализованным в пространстве электронам. Типичная световая волна, бегущая от источника излучения, должна взаимодействовать с большим количеством электронов, распределенных по поверхности металла. Неизбежно одни электроны будут «выбиты» позднее, чем другие. В сущности, вычисления показывают, что некоторые электроны покинут свои орбиты аж через десять минут после первых. Вообразите, что поток частиц формируется в фотоэлементе столько времени! Это означает, что посетители супермаркета будут десять минут толпиться перед закрытыми дверями.
Однако все обретает смысл, если представить, что свет состоит из крошечных частиц и каждая взаимодействует с конкретным электроном в металле. Вместо того чтобы постепенно распределять свою энергию среди большого количества электронов, свет, представленный этими частицами – «фотонами», – наносит точечные удары. Каждый фотон не только выбивает один электрон, но делает это сразу,а не после десятиминутной паузы. Именно благодаря корпускулярной природе света вы попадаете в супермаркет без всяких задержек.
Эйнштейн именно так и объяснил фотоэффект: как работу крошечных порций – «квантов» – света. За это он был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года. Многие нашли это странным. Они удивлялись, почему Эйнштейн не получил премию за свою «относительность» – теорию, которая сделала его знаменитым и навсегда изменила наши представления о пространстве и времени. Сам Эйнштейн, однако, считал «относительность» естественным и даже не слишком выдающимся продуктом физики XIX века [6]6
Как ни удивительно, но понятие «относительность» могло стать естественным и даже не слишком выдающимся продуктом физики шестнадцатого века.Уже после открытия Эйнштейна многие поняли, что относительность, по сути своей, – неизбежное следствие двух вещей. Первая заключается в том, что законы физики выглядят одинаково независимо от того, каким манером вы движетесь, лишь бы скорость движения оставалась постоянной. Например, если два человека перебрасываются мячом, то форма траектории мяча будет одной и той же как в том случае, когда люди развлекаются в поле, так и в том случае, когда они резвятся в поезде, мчащемся со скоростью 100 километров в час. Вторая – это то, что законы физики выглядят одинаково независимо от вашего размещения в трехмерном пространстве. И вовсе не обязательно что-то там предполагать насчет скорости света, как это сделал Эйнштейн. Относительность вполне могла быть открыта Галилеем. См. статью Митчелла Фейгенбаума «Теория относительности – дитя Галилея» ( http://xxx.lanl.gov/abs/0806.1234). (Прим. автора).
[Закрыть]. А в «кванте», стоящем особняком среди его достижений, он видел единственную по-настоящему революционную идею своей жизни.
Эйнштейн опубликовал работу о существовании квантов в тот же «год чудес» – 1905-й, – когда он познакомил мир и со своей теорией относительности. Пятью годами раньше, в 1900 году, немецкий физик Макс Планк нашел способ объяснить загадку жара, исходящего от печи, предположив, что атомы могут колебаться («вибрировать») только на определенных – «разрешенных» – уровнях энергии и эти уровни в количественном смысле должны быть кратны какой-то базисной порции энергии – кванту. Сам Планк полагал эти кванты не более чем математическим трюком, не имеющим особого физического смысла. Эйнштейн оказался первым, кто увидел в квантах физическую реальность: они были летящим сквозь пространство потоком фотонов в луче света.
Спичечный коробок, проглотивший сорокатонный грузовик
Собственно говоря, сам факт того, что в определенных обстоятельствах свет ведет себя, как крошечные локализованные частицы, мы должны признать, взяв для примера самый обыденный из всех окружающих нас предметов: электрическую лампочку. Ее нить испускает свет, а наш глаз этот свет поглощает. Причина того и другого должна обнаружиться в том, из чего состоят нить накаливания и наша сетчатка. А они, как и все вещество во Вселенной, состоят из атомов.
Эта идея принадлежит греческому философу Демокриту. Примерно в 440 году до нашей эры он подобрал камень или ветку, а может, это был глиняный сосуд и спросил себя: «Если я разрежу эту штуку пополам, а затем каждую половинку разрежу тоже пополам, смогу ли я заниматься этим разрезанием до бесконечности?» И сам же себе ответил: нет, не смогу. Непостижимо, чтобы вещество можно было резать и резать без конца. Демокрит понял: рано или поздно дело должно дойти до такого зернышка вещества, которое уже невозможно разрезать пополам. По-гречески «неразрезаемый» – «а-томос», поэтому Демокритовы предельные зернышки вещества стали называть «атомами».
На самом деле Демокрит пошел дальше и объявил, что атомы бывают разных типов – сейчас сказали бы, что они вроде микроскопических кирпичиков «Лего», – и, составляя их по-всякому, можно получить, например, розу, или облако, или сверкающую в небе звезду. Главная мысль заключалась в том, что реальный мир в конечном счете зернист и состоит из крошечных твердых ядрышек вещества. Что уж говорить, эта идея, несомненно, выдержала проверку временем [7]7
В действительности она выдержала даже больше, чем проверку временем, с тех пор как выяснилось, что не только вещества, но и все остальное в природе – зернистое. «Зернышко» – таково значение слова «квант» в квантовой теории [Разумеется, только в квантовой теории – и, конечно же, это мнение автора. Потому что на самом деле значение слова «квант» совсем иное. Quantum на латинском языке означает «сколько», от латинского же quantus – «сколько; как много». Прим. перев.]. Квант – невидимая крупинка чего-либо. Вещество состоит из квантов. А также энергия, электрический заряд, время и так далее. Мы живем в фундаментально зернистом мире. (Прим. автора).
[Закрыть].
Атомы чрезвычайно малы. Внутри булавочной головки – «по линеечке» – их уместилось бы больше миллиона. Поэтому подтвердить существование атомов оказалось нелегко. В научную эпоху было собрано множество косвенных доказательств. Тем не менее удивительно, что до 1980 года никто так и не умудрился «увидеть» атомы – для этого понадобилось устройство, названное сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), которое изобрели два физика из лаборатории «Ай-Би-Эм» в Цюрихе.
СТМ принес Герду Биннигу и Генриху Рореру Нобелевскую премию по физике за 1986 год. По существу, принцип действия устройства таков: микроскоп ведет микроскопическим «пальцем» по поверхности материала, ощущая крохотные подвижки этого «пальца», когда он проходит над атомами, так же, как слепой чувствует неровности чужого лица, когда касается его пальцами. И так же, как слепой рисует в воображении ощупываемое им лицо, СТМ рисует на дисплее компьютера атомный пейзаж, по которому он путешествует.
С помощью СТМ Бинниг и Рорер стали первыми людьми в истории, которые, подобно богам, взглянули сверху вниз на микроскопический мир атомов. И то изображение, что проплывало перед их глазами на экране, было именно тем, что представлялось в воображении Демокриту 2500 лет назад. Атомы походили на крохотные теннисные мячи. Они были точь-в-точь как яблоки, сложенные в коробке. В истории науки нет иного примера, чтобы кто-то сделал предсказание столь задолго до экспериментального подтверждения. Если бы только у Биннига и Рорера была машина времени… Они переместили бы Демокрита в свою лабораторию в Цюрихе, поставили бы его перед этим поразительным изображением и сказали: «Смотри, ты был прав». Как художники, умершие в безвестности, никогда не узнают, что их слава достигла заоблачных высот, а полотна продаются за десятки миллионов фунтов стерлингов, так и ученые могут не дожить до той поры, когда их идеи встретят ошеломляющий успех.
Однако атомы, как стало ясно уже довольно давно, – вовсе не предельные зернышки вещества. Их составляют более мелкие частицы. Тем не менее идея Демокрита о том, что материя не бесконечна в своей делимости и в пределе состоит из зернышек, по сей день жива и здравствует, только ныне в мантию неделимых зерен природы облачились «кварки» и «лептоны». И все же, как выясняется, кварки не столь уж важны, когда дело доходит до встречи света с материей в нашему глазу или в лампе накаливания. Когда свет испускается или поглощается, то испускают или поглощают его именно атомы. И здесь скрывается большая проблема.
Согласно нашей теории материи, атомы – это мельчайшие, локализованные в пространстве штучки, похожие на крошечные бильярдные шары. Свет же – это совсем другая штука: он размыт, распределен в пространстве, как рябь на поверхности пруда. Возьмем видимый свет. Удобная мера для определения его «величины» – это длина волны: расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебания – это если говорить строго, – или по-простому – расстояние между двумя соседними гребнями. Длина волны видимого света примерно в пять тысяч раз больше атома. Представьте, что у вас есть коробок спичек. Вы открываете его, и из него на вас выезжает сорокатонный грузовик. Или же сорокатонный грузовик проезжает мимо, вы открываете коробок, и грузовик исчезает внутри. Смешно? Но это в точности тот самый парадокс, который происходит на границе, где свет встречается с материей.
Как атом в нашем глазу может поглотить нечто, в пять тысяч раз большее, чем он сам? Как атом в нити накаливания электрической лампочки может выдавить из себя нечто, в пять тысяч раз превышающее его размеры? В одной из своих телепрограмм Рэй Мирс, британский путешественник, писатель и эксперт по выживанию в условиях дикой природы, сказал: «Ничто не входит в змею так хорошо, как другая змея». Применим эту логику к границе между светом и материей. Если свету суждено «войти» в маленький, конкретно расположенный атом, то он сам должен быть маленьким и конкретным. Проблема в том, что существуют тысячи примеров (самый известный – это эксперимент Томаса Юнга [8]8
Томас Юнг (принято Юнг, но правильнее Янг, 1773–1829) – английский физик, врач, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света.
[Закрыть]с двумя прорезями), когда свет проявляет себя как распространяющаяся волна.
Вот в первые десятилетия двадцатого века физики и нарезали круги вокруг этой проблемы, отчаянно пытаясь разрешить парадоксы подобного рода. Как писал немецкий ученый Вернер Гейзенберг: «Я вспоминаю многие дискуссии с Бором, длившиеся до ночи и приводившие нас почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений предпринимал прогулку в соседний парк, передо мною снова и снова возникал вопрос, действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах» [9]9
Цит. по: В. Гейзенберг. Физика и философия. Перевод с немецкого И. А. Акчурина и Э. П. Андреева. – М.: Наука, 1989.
[Закрыть].
Парадокс, возникающий, когда некая теория предсказывает при определенных обстоятельствах один результат, а другая теория при тех же условиях диктует нечто совершенно иное, зачастую бывает весьма и весьма плодотворен. Он показывает, что по крайней мере одна теория ошибочна. И чем крупнее, чем обоснованнее теории, которые вступают в драку, тем революционнее последствия такой схватки. Вот случай, когда свет испускается лампочкой или поглощается вашим глазом: на этот счет есть две теории, которые предсказывают прямо противоположные вещи, – волновая теория света и атомная теория строения вещества. И это две крупнейшие и наиболее обоснованные теории из всех известных.
Какая же из них ошибочна? Физики пришли к совершенно невероятному заключению: ошибочны – обе. А можно сказать и так: не ошибается ни та, ни другая. Свет – это одновременно и волна, и частица. Или, скорее, это некая сущность, для описания которой у нас просто нет слов, и в окружающем нас мире нет ничего, с чем его можно было бы сравнить. Свет принципиально непостижим – как для существ, скованных двухмерным миром листа бумаги, непостижим трехмерный объект: у этих существ нет понятий «вверх»/«над» или «вниз»/ «под». Все, что они могут познать, – это «тень» объекта, однако «двухмерники» никогда не постигнут трехмерный предмет во всей его полноте. Таким же образом и свет – не волна и не частица, а «нечто иное», чего нам никогда не постичь полностью. Все, что мы видим, – не более чем «тени» света; в одних обстоятельствах этот «объект» поворачивается к нам волновой гранью, в других – корпускулярной.
Совершенно очевидно: атомы испускают свет. Но столь же очевидно, что видимый свет в тысячи раз больше атомов, которые его испускают. Оба факта неопровержимы. Таким образом, единственный способ разрешить сей парадокс – это принять нечто, что звучит как чистейшее безумие: свет одновременнов тысячи раз больше атома и меньше его. Он одновременнорассеян в пространстве и локализован в нем. Он одновременнои волна, и частица. Когда свет несется в пространстве, он ведет себя как рябь на поверхности пруда. Однако же когда свет поглощается или испускается атомами, он ведет себя, как очередь крошечных пулек, выпущенных из микроскопического автомата. Вообразите, что вы стоите возле пожарного гидранта на нью-йоркской Таймс-сквер и одновременно, подобно туману, растекаетесь по Манхэттену. Смешно? Да. Тем не менее свет именно таков.
Картина волновой природы света оказалась верна. Однако и картина корпускулярной природы света тоже оказалась верна. Как ни парадоксально, но свет – это и волна, и частица.
Мир, который противоречит здравому смыслу
А должны ли мы вообще удивляться, обнаружив, что свет принципиально отличается от всего остального в окружающем нас мире? Должны ли мы удивляться тому, что он не постижим во всей его полноте, что его свойства бросают вызов нашей интуиции и противоречат здравому смыслу? Пожалуй, здесь нелишне будет разобраться, что мы имеем в виду, говоря «интуиция» или «здравый смысл». В сущности, «здравый смысл» – это объем информации, которую мы накопили в поисках объяснений того, как работает окружающий нас мир. В эволюционном смысле мы нуждались в этой информации, чтобы выжить в африканской саванне посреди существ, которые были больше, быстрее и свирепее нас. Выживание зависело от того, обладаем ли мы зрением, достаточным для того, чтобы различать относительно большие объекты между собой и горизонтом, обладаем ли мы слухом, позволяющим распознавать сравнительно низкие звуки, и так далее. Для нашего выживания не было никакой эволюционной ценности в тех органах чувств, которые выводили бы нас за пределы мира, непосредственно нас окружавшего, – например, нам не нужны были глаза, способные различить микроскопическое царство атомов. Поэтому у нас и не развилось ни малейшей интуиции применительно к этой области. Таким образом, нас не должно удивлять, что, когда мы приступили к исследованию царства, неизмеримо меньшего, чем окружающий нас повседневный мир, мы обнаружили там вещи, которые идут вразрез с нашей интуицией. Атом примерно в 10 миллиардов раз меньше человека. Было бы странно, если бы он хоть в малой степени вел себя как футбольный мяч, или стол, или стул, или что бы то ни было еще, принадлежащее к миру, воспринимаемому нашими чувствами.
Первым человеком, который осознал, что фундаментальная реальность, служащая основой нашего повседневного мира, абсолютно на этот мир не похожа, был шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), пожалуй, самый значительный физик в период между Ньютоном и Эйнштейном (прискорбный факт: Максвелл умер всего в 48 лет от рака желудка). Его величайшим триумфом – это было в 1860-е годы – стало то, что он свел все магнитные и электрические феномены к небольшому, аккуратному набору формул. «Уравнения Максвелла» настолько компактны, что вы смогли бы записать их на обороте почтовой марки (если, конечно, у вас достаточно мелкий почерк!).
До Максвелла физики выстраивали картину мира, оперируя образами вещей, которые они видели вокруг себя. К примеру, они рассуждали о Ньютоновой «часовой Вселенной», предполагая гигантский часовой механизм мироздания, который когда-то был заведен и продолжает тикать с абсолютной регулярностью. Поначалу Максвелл ничем не отличался от этих ученых. Например, пытаясь понять, как магнит дотягивается до кусочка металла, а затем приближает его к себе, он воображал, что пространство между магнитом и металлом заполнено невидимыми передаточными колесиками с зубчиками. Колесико, тесно прижатое к магниту, поворачивает своими зубчиками соседнее колесико, то поворачивает следующее, и так далее. Подобным образом сила передается от магнита к металлу. Когда эта картина не совпала с его наблюдениями магнитных явлений, Максвелл модифицировал ее, вообразив, что колесики сделаны из пружинистого материала и, вертясь, они немного прогибаются. Когда не сработало и это, ученый в отчаянии возвел к небу руки и распрощался с подобными «механическими» моделями. Он понял, что природа не сравнима ни с чем из того, что окружает нас в повседневной жизни.
Вместо невидимых крутящихся колесиков Максвелл вообразил нечто, не имеющее никаких аналогий в повседневном мире, – призрачные электрические и магнитные «силовые поля», пронизывающие пространство. Это был полный раскол с прежними представлениями – раскол, подобный сейсмическому разрыву. В долгосрочной перспективе прозрение Максвелла раскрепостит ученых, даст возможность Эйнштейну вообразить гравитацию как искривление четырехмерного пространства-времени и позволит физикам нашего времени сформулировать гипотезу о том, что фундаментальные структурные элементы материи – это крошечные струны массы-энергии, вибрирующие в невообразимом пространстве десяти измерений.
Однако потребовалось немалое время, чтобы физики усвоили серьезный урок Максвелла и осознали: в своих попытках понять фундаментальную реальность они должны обходиться без страховочной сетки житейской интуиции. По сути, этот урок еще не был усвоен, когда в первом десятилетии двадцатого века произошло титаническое столкновение между теориями света и материи – столкновение, которое породило корпускулярно-волновую теорию света.
Бог все-таки играет в кости
Представим себе, что свет ведет себя, как поток частиц (собственно, это его поведение и служит предметом нашего разговора в данной главе). Такое представление очень важно для того, чтобы понять, каким образом мы видим отражение собственного лица в оконном стекле. Почему же оно столь важно? А вот почему. Если свет – это волна (вспомним волну от катера, которая частично перекатывается через подтопленное бревно, а частично от него отражается), то объяснить отражение в окне не составляет никакого труда. Но если свет – это поток частиц, несущихся как пули, то объяснение феномена отражения превращается в дьявольски трудную задачу. Ведь все фотоны одинаковы. Однако если все они одинаковы, то и преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все – отражаются. Каким же образом проходят только 95 % фотонов, а 5 % все-таки отскакивают назад?
