Текст книги "Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной"
Автор книги: Маркус Чоун (Чаун)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 10 страниц)
Это классический случай физического парадокса – ситуации, когда некая теория – в данном случае корпускулярная теория света – предсказывает одно, а здравый смысл говорит нам нечто противоположное. Наш опыт, несомненно, заслуживает доверия – мы и в самом деле можем видеть как пейзаж за окном, так и размытое отражение собственного лица в оконном стекле. Следовательно, что-то не так с нашим представлением о фотонах.
Существует только одна логическая возможность: у каждого фотона есть 95 шансовиз 100 проскочить сквозь стекло и пять шансов– отразиться. Это обстоятельство кажется совершенно безвредным, однако на самом деле оно – настоящая бомба, сброшенная в самое сердце физики. Потому что если нам известны только шансы(правильнее говорить – «вероятность») фотона пройти сквозь окно или отскочить от стекла, то это означает только одно: мы теряем всякую надежду узнать в точности, что произойдет с отдельным фотоном на самом деле. Как заметил Эйнштейн – по иронии судьбы первый ученый, предположивший существование фотона, – это катастрофа для физики. Поведение фотона никак не совмещалось с тем, что наука говорила ранее. Ведь физика была рецептом для абсолютно точного предсказания будущего. Если в полночь Луна вот в этой точке небосвода, то, опираясь на Ньютонов закон тяготения, мы со стопроцентной уверенностью можем предсказать, что завтра в это же время она будет вон в той точке. Однако возьмем фотон, ударяющийся об оконное стекло. Мы никогда не сможем с уверенностью предсказать, как он себя поведет. Проскочит фотон или отразится – вопрос чистой, ничем не омраченной случайности, его взаимоотношения со стеклом определяются исключительно капризами шансов.
Случайность такого рода вовсе не похожа на случайность при броске игральных костей или вращении колеса рулетки. Она куда более фундаментальна и куда более… зловеща. Если бы мы знали все мириады сил, воздействующих на игральные кости, то любой физик, который обладает мощным компьютером и которому не занимать настойчивости и терпения, мог бы предсказать результат, основываясь просто-напросто на законах механики Ньютона. Проблема в том, что на траекторию движения костей воздействует слишком много факторов – импульс, сообщенный игроком, потоки воздуха в окружающем пространстве, шероховатости стола и так далее. Никто не в состоянии учесть все эти факторы, чтобы точно предсказать результат броска костей.
Однако вот в чем мы должны отдавать себе отчет: наше незнание всех факторов, воздействующих на вращение костей, – всего лишь вопрос практики. Нет ничего невероятного в том, что когда-нибудь в будущем некий упорный человек (понятно, что он должен будет располагать немалым временем) сумеет с требуемой точностью определить все силы, воздействующие на кости. Штука в том, что исход броска костей не непредсказуем по существу.Он непредсказуем лишь на практике.
Вернемся к нашему фотону. Как он поведет себя, столкнувшись с оконным стеклом, предсказать абсолютно невозможно – и не только на практике, но в принципе.Причем совершенно не важно, знаем мы или не знаем все факторы, воздействующие на его поведение. Тут просто нет факторов, которых мы можем не знать. Фотон проходит сквозь оконное стекло или отскакивает от него исключительно в силу собственной извращенности – без всякой на то причины.
В нашей повседневной жизни каждое событие порождается каким-либо другим событием. Следствию всегда предшествует причина. Число, выпавшее на игральных костях, – результат воздействия множества сил. Вы идете по улице и вдруг спотыкаетесь, потому что одна из плиток, которыми вымощен тротуар, расшаталась и ваша подошва задела за выступ. Однако тому, что происходит с фотоном при встрече с окном, не предшествуют никакие события. Это следствие без причины. Вероятность выпадения «шестерки» на игральной кости может быть определена в принципе, но с фотоном все иначе: вообще нет никакого события, из которого может быть выведена вероятность его прохождения сквозь стекло, тут не существует никакого скрытого механизма, жужжащего под оболочкой реальности. Это фундаментальная основа природы, ее нижний этаж. Глубже ничего нет. По какой-то таинственной причине Вселенная просто так устроена [10]10
Всегда остается возможность, что «под» квантовой теорией существует еще более глубинный уровень реальности и что разнообразные вероятности определяются факторами, действующими на этом уровне, так же как вращение костей при броске определяется факторами пространства, окружающего кости. Эту возможность продолжают исследовать некоторые ученые, например английский физик Энтони Валентини и голландский физик Герард ‘т Хоофт, лауреат Нобелевской премии по физике за 1999 год. Однако они остаются в меньшинстве. Судя по всему, квантовая теория прекрасно работает при том условии, что непредсказуемость – действительно фундаментальная основа природы, ее нижний этаж, так что большинство физиков не видят веских причин заглянуть куда-нибудь поглубже. (Прим. автора).
[Закрыть].
Тот род непредсказуемости, который характерен для поведения фотонов, когда они встречаются с оконным стеклом, характерен для их поведения и во всех остальных мыслимых обстоятельствах. В сущности, это типично для поведения не только фотонов, но и всех остальных обитателей микроскопического мира атомов и их составных частей – фундаментальных кирпичиков реальности. Атом радия может расщепиться или «распасться». Его ядро при этом взорвется подобно маленькой гранате. Однако нет абсолютно никакой возможности точно предсказать, когда именно самоуничтожится ядро отдельно взятого атома радия; есть лишь вероятность того, что это произойдет в течение определенного периода.
Непредсказуемость микроскопического мира не похожа ни на что из того, с чем люди сталкивались когда-либо ранее. Это нечто совершенно новое под солнцем. Вот почему Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике за то, что, исследовав фотоэффект, пришел к выводу о корпускулярной природе света, а вовсе не за теорию относительности. Он – а вместе с ним и Нобелевский комитет – понимал, что это по-настоящему революционное открытие.
Признание того, что микроскопический мир подчиняется неумолимой, неодолимой случайности и управляется шансами,стало, пожалуй, самым поразительным открытием в истории науки. Это настолько испугало Эйнштейна, что он произнес свое знаменитое: «Бог не играет в кости со Вселенной». (Великий физик Нильс Бор, один из первопроходцев квантового мира, ответил: «Перестаньте говорить Богу, что ему делать со своими игральными костями».) Эйнштейн упорно отказывался верить, что на фундаментальном уровне Вселенной события происходят просто так, без всякой причины. Горькая ирония, не ускользнувшая от Эйнштейна, заключалась в том, что именно он оказался человеком, который, утвердив существование фотона, нечаянным образом впустил джинна случайности в самое сердце физики [11]11
Другая горькая ирония заключается в том, что, в 1900 году, когда Планк предположил существование кванта, лорд Кельвин, один из величайших физиков своего времени, изучив достижения своих коллег, изрек: «В настоящее время в физике ничего нового открыть невозможно. Все, что нам остается, – это дальнейшее уточнение результатов измерений». Как же он ошибался! (Прим. автора).
[Закрыть].
Эйнштейн был встревожен тем, что остальные физики 1920-х годов приняли квантовую идею как данность, а значит, приняли и то, что события могут происходить беспричинно. Однако интуиция Эйнштейна подсказала ему нечто важное. Если голую, неприкрытую случайность впустить в самое сердце мира, это неизбежно породит куда более ужасные последствия – последствия настолько устрашающие, считал он, что физики будут просто вынуждены расстаться с квантовой идеей. Эти мысли одолевали его вплоть до 1935 года, и наконец Эйнштейн нашел то, что искал. Работая с двумя другими физиками – Натаном Розеном и Борисом Подольским, – он пришел к следующему выводу: если квантовая теория верна, тогда два атома с неумолимостью должны будут оказывать мгновенное влияние друг на друга, даже если они находятся в разных концах Вселенной.
Чтобы понять, как Эйнштейн пришел к этому выводу, сделаем небольшое отступление. Эта глава началась с утверждения, что отражение лица в оконном стекле легко объяснить, если свет – это волна, подобная ряби на пруду. Однако нигде не было упомянуто, каким образом мы вообще заподозрили, что свет – это волна. Ведь в конце-то концов он вовсе не похож на волну.
Свет – это действительно волна
Ученым, который продемонстрировал волновую сущность света, был англичанин Томас Юнг. Человек энциклопедических знаний, он первым совершил прорыв в расшифровке египетских иероглифов на Розеттском камне, а также предположил, что в глазу должны существовать отдельные рецепторы для трех основных цветов – синего, зеленого и красного. Однако главным достижением Юнга было, бесспорно, раскрытие волновой природы света.
У Юнга было серьезное подозрение, что свет скорее похож на волну, чем на поток подобных пулям «корпускул», как то полагал Ньютон. В 1678 году голландский физик Христиан Гюйгенс догадался, что если представить свет как волну, бегущую в пространстве, то можно объяснить многие оптические явления – например, отражение света в зеркале либо изменение направления, или «преломление», луча света в плотной среде, такой, как стекло. Гюйгенсова волновая теория даже предсказала правильное преломление луча света, когда он попадает из воздуха в стеклянный блок, тогда как у теории Ньютона это не очень-то получалось (во всяком случае, требовались некоторые ухищрения). Однако Ньютон имел такую высокую репутацию – в науке он был уже почти богом, – что на теорию Гюйгенса не обратили особого внимания. Пока не появился Юнг.
Какова главная характеристика волнового движения? При наложении разных волн друг на друга они попеременно то усиливаются, то гасятся. Волны усиливаются, когда максимум одной волны совпадает с максимумом другой (это называется «усиливающая интерференция»), и они гасятся, когда максимум одной волны попадает на минимум другой («ослабляющая интерференция»). Эта «интерференция» действует просто гипнотически, если наблюдать за ней в луже, когда идет дождь. Концентрические круги от падающих капель расходятся, пересекаются, проходят друг через друга, и крохотные волны то усиливаются, то сходят на нет.
Юнг знал об этом эффекте. Ему также было известно, что подобное происходит со светом, но эту картину уже не увидишь невооруженным глазом, можно только понять, что гребни световых волн отделены друг от друга куда меньшими расстояниями, чем толщина человеческого волоса – одна из самых малых вещей, доступных человеческому зрению. Сделать интерференцию таких крошечных волн видимой было серьезнейшей задачей, настоящим вызовом природе, и это еще мало сказать. Но Юнг оказался на высоте.
Главное, понял он, – это создать два одинаковых источника концентрических волн, похожих на те, что расходятся от двух дождевых капель, проколовших тонкую поверхностную пленку пруда. Поскольку волны пересекаются, они должны интерферировать. Там, где будет ослабляющая интерференция, возникнет темнота; а в местах усиливающей интерференции возрастет яркость. Темные и светлые участки будут перемежаться. Чтобы увидеть их, достаточно поместить некое подобие белого экрана туда, где концентрические волны станут накладываться друг на друга. Там-то и обнаружится интерференция в виде чередующихся светлых и темных полос, как у зебры (мы бы сказали – как на штрихкоде, что можно увидеть на любом продукте в супермаркете).
Для успеха эксперимента Юнгу было очень важно, чтобы излучаемый свет был одного цвета или, во всяком случае, как можно ближе к одному цвету. Ныне известно, что различным цветам света соответствуют разные размеры волны, или «длины волны». Так, расстояние между гребнями у волны красного света примерно вдвое больше, чем у волны синего. Возможно, Юнг подозревал это. Для демонстрации интерференции требовалось полное усилениеи полное ослаблениенакладывающихся друг на друга волн, а это было возможно только в том случае, если свет был одного цвета.
В 1801 году Юнг создал свои два источника концентрических волн, направив свет с одной стороны на непрозрачный экран с близко расположенными параллельными прорезями. С другой стороны экрана свет выходил из каждой прорези, распространялся дальше и проходил сквозь свет из соседней прорези. Там, где волны должны были наложиться друг на друга, Юнг поместил белый экран. И увидел на нем, к своей нескрываемой радости, чередование светлых и темных полос – верный признак интерференции. Вне всякого сомнения, свет оказался волной. Причина, по которой это не видно невооруженному глазу, заключалась в том, что световые волны слишком малы: всего лишь тысячная доля миллиметра от гребня до гребня [12]12
Эксперимент Юнга с двумя прорезями – один из поворотных в истории науки.Однако сегодня вы можете доказать, что свет – это волна, при помощи лазерной указки и металлической линейки. Просто посветите лазером под очень маленьким углом вдоль линейки, так чтобы узенький лучвысветил деления, наиболее близкие к источнику света. Каждое деление будет работать как вторичный источник концентрических световых волн, которые, распространяясь в пространстве, проходят друг сквозь друга. Там, где они усиливают друг друга, возникнут яркие пятна, и эти пятна обязательно проявятся, особенно если на пути света попадется белая стена. Строго говоря, эти пятна – результат «дифракции», явления, тесно связанного с интерференцией, но в любом случае несомненно характерного для волн. (Прим. автора).
[Закрыть]. Почему же нам важно знать про этот эксперимент начала XIX века, который продемонстрировал волновую природу света? Да потому, что эксперимент Юнга с двойными прорезями на этом не закончился. Никоим образом. В двадцатом веке он продолжился, но уже в новом воплощении. И вот что поразительно: в наше время этот эксперимент демонстрирует не волновой характер света, а нечто совершенно иное – нечто почти невероятное. Он демонстрирует, что одна, отдельно взятая микроскопическая сущность – фотон или атом – может находиться в двух местах одновременно.
Волна информирует частицы
Вспомним, что Юнг освещал одноцветным светом, или светом с одной длиной волны, непрозрачный экран, в котором были проделаны две близко расположенные параллельные прорези. Каждая прорезь служила источником вторичной световой волны для соседней прорези, так же как два упавших в пруд камня, «работая» совместно, становятся источниками двух наборов концентрических кругов. Волны от двух камней, проходя друг сквозь друга, попеременно усиливаются и ослабевают, и то же самое происходит со световыми волнами, исходящими из двух прорезей. Там, где они усиливаются, свет становится ярче; там, где они гасят друг друга, свет затухает, оставляя вместо себя темноту. Юнг поместил второй экран там, где волны накладываются друг на друга. И любой мог увидеть на экране перемежающиеся полосы света и темноты. Вне всякого сомнения, свет был волной.
Однако он также представляет собой поток частиц – и это опять-таки вне всякого сомнения. Артур Комптон доказал, что свет отскакивает от электронов, словно бы он состоял из крошечных биллиардных шаров, а кроме того, есть еще фотоэффект, при котором отдельные частицы света выбивают отдельные электроны из поверхности металла. И вот вопрос вопросов: как примирить это с экспериментом Юнга?
Подумаем о фотонах видимого света. Каждый несет очень мало энергии. Вот почему до Эйнштейна никто не замечал их существования. Если бы фотоны несли большое количество энергии, тогда при включения света с помощью светорегулятора яркость сразу поднималась бы резкими скачками до некоего минимального уровня, затем удваивалась бы, утраивалась бы, и так далее. Мы никогда не увидели бы, что лампочка разгорается медленно.А причина медленного разгорания лампочки в том, что отдельные фотоны несут очень мало энергии и скачки яркости – хотя они наличествуют – настолько мизерны, что неразличимы невооруженным глазом.
В эксперименте Юнга источник света также излучал триллионы триллионов крошечных фотонов. Хотя это объясняет, почему корпускулярная природа света не доступна глазу, мы тем не менее не получаем ясного ответа на вопрос, каким образом фотоны «сговариваются», чтобы выстроить интерференционный узор из темных и светлых полосок – явственный признак того, что перед нами волны, а не частицы. Один возможный ответ такой: когда наличествует много фотонов, их корпускулярная природа каким-то образом затушевывается, уступая место волновой природе, – словно бы фотоны теряют свою индивидуальность, как отдельный человек теряется в толпе болельщиков на футбольном матче. Но что, если мы заставим свет проявить его корпускулярную природу? Это можно сделать, использовав для эксперимента Юнга такой слабый источник света, что он будет испускать не триллионы триллионов фотонов, а очень немного, буквально единицы. Если источник света будет настолько слаб, что фотоны станут проходить сквозь прорези в экране по одному, да еще с большими интервалами, тогда не останется сомнений в том, что мы имеем дело с частицами.
Человеческий глаз не может разглядеть отдельные фотоны, так что их попадание на второй экран останется незамеченным. Однако это препятствие можно преодолеть, расположив на поверхности экрана множество чувствительных детекторов, способных регистрировать отдельные частицы света. Представим их как крошечные ведерки, которые ловят фотоны так же, как обыкновенные ведра собирают дождевые капли. Если фотонные ведерки подсоединить к компьютеру, то все, что в них поймалось, появится на экране, став таким образом видимым для человека.
Что же мы ожидали бы увидеть, доведись нам создать такую высокотехнологичную версию эксперимента Юнга? Ну, мы ведь знаем, что вся суть интерференции в том, что она берет две волны и смешивает их, заставляя «интерферировать» между собой. В случае с экспериментом Юнга два набора волн, подобно наборам концентрических кругов, появляются из двух прорезей в непрозрачном экране. Однако если фотоны появляются перед экраном по одному, с большими временными интервалами, то резонно предположить, что в единицу времени сквозь экран будет проходить только один фотон – он выскочит по ту сторону экрана либо из одной прорези, либо из другой. У такого одинокого фотона не будет пары, с которой он мог бы смешаться. Интерференция невозможна. Если такой эксперимент будет продолжаться довольно долго и через прорези пройдет весьма много фотонов, которые усеют второй экран, то рисунок на экране компьютера будет совсем прост: две параллельные яркие линии – отображение двух прорезей.
Однако в реальности происходит совсем не это.
Поначалу экран компьютера вроде как показывает, что фотоны дождем обрушиваются на весь второй экран, словно ими наобум палят из какого-нибудь пулемета. Однако по мере хода эксперимента образуется нечто поразительное. Медленно, но верно начинает вырисовываться некий узор – словно Лоуренс Аравийский появляется из песчаной бури: этот узор состоит из фотонов, перехваченных крошечными световыми ведерками (напомним: по одному в каждую единицу времени). И это не просто какой-то там узор. Это узор из перемежающихся темных и светлых полос – точь-в-точь та самая интерференционная картина, которую Юнг увидел в 1801 году. Но как такое возможно? Интерференция образуется при смешивании волн из двух источников. Здесь же свет настолько слабый, что легко доказать: он состоит именно из частиц – в конце концов, световые детекторы отщелкивают их по штуке в единицу времени, – и ни один фотон не имеет пары, с которой он мог бы смешаться.
Добро пожаловать в сумасшедший, потусторонний мир квантов! Когда мы видели, что поведение фотонов не имеет абсолютно никаких причин, это было лишь началом безумия.
Судя по всему, фотоны, даже тогда, когда их очень мало и они явно представляют собой частицы, каким-то образом «осведомлены» о своей волновой природе. В конце концов они попадают на втором экране ровно в те места, где волны, которые выбегали бы из прорезей, усиливали бы друг друга, и усердно избегают тех мест, где волны гасились бы. Такое впечатление, будто с каждым фотоном ассоциирована некая волна, которая каким-то образом указывает ему, куда именно ему нужно прилететь, чтобы занять место на экране.
Примерно такую картину – правильно это или нет – держат в уме большинство физиков. Существует некая волна, ассоциируемая с фотоном. Она сообщает ему, куда двигаться и что делать. Но вот какая причуда. Это не реальная физическая волна, которую можно увидеть или потрогать, как волну на воде. Вместо реальности перед нами – нечто абстрактное, чисто математического свойства. В своем воображении физики рисуют картину, как эта волна, часто именуемая «волновой функцией», простирается в пространстве. Если волна большая, если у нее высокие максимумы, там велика вероятность (больше шансов) обнаружить фотоны, а в тех «местах», где волна маленькая, довольно плоская, там вероятность обнаружить фотон весьма мала. Можно сказать несколько точнее: шансы на обнаружение частицы (вероятность ее нахождения) в некоем месте пространства определяются квадратом высоты квантовой волны в этом месте. Квантовые волны могут смешиваться и интерферироваться, и, когда это происходит, возникает интерференционный узор, который показывает, где скорее всего обнаружатся фотоны.
Такую картину трудно уложить в голове. Но во всяком случае, она дает нам намек на фундаментальную двойственность природы. Не только световые волны могут вести себя как частицы – фотоны, – но и фотоны могут вести себя как волны, пусть даже волны эти абстрактные, квантовые.
Как уже говорилось, последствия того, что волны ведут себя подобно частицам, просто сногсшибательны. Миром фотонов – и всех остальных частиц – в конечном итоге дирижирует случай, Его Величество шанс. Но получается, что последствия волнового поведения фотонов не менее сногсшибательны. Один-единственный фотон может быть в двух местах одновременно (или делать две разные вещи одновременно) – это все равно как если бы вы пребывали в Лондоне и Париже в одно и то же время. Но как такое может быть? Поясню. Если фотоны могут вести себя как волны, следовательно, они умеют делать все то же самое, что делают волны. А волна умеет делать одну интересную вещь, и, хотя последствия этой «вещи» в повседневной жизни большого мира самые что ни на есть обыденные, в микроскопическом мире те же последствия иначе как фантастическими не назовешь.
В двух местах одновременно
Представьте себе море в штормовую погоду. По поверхности несутся большие валы, гонимые ветром. А теперь представьте море на следующий день, когда шторм уже прошел. Поверхность воды ровная, спокойная, если не считать небольшой зыби, мелкой ряби, создаваемой легким бризом. Что ж, теперь можно вообразить и другую картину: большие валы, на которых рябит мелкая зыбь. Между прочим, это и есть общая черта всех волн на свете. Если возможны две различные волны, то всегда возможна и комбинация этих двух волн. В случае океанских волн последствия этого вряд ли достойны упоминания. Однако в случае квантовых волн, «привязанных» к фотонам и диктующих, где им быть и что делать, последствия просто удивительны.
Представьте себе квантовую волну по одну сторону оконного стекла, у нее высокий гребень, поэтому вероятность того, что она обнаружится именно по эту сторону стекла, весьма велика. Теперь представьте себе вторую квантовую волну по другую сторону стекла, также с высоким гребнем. Ничего из ряда вон выходящего пока здесь нет. Но! Поскольку обе волны, каждая сама по себе, возможны, то и комбинация обеих этих волн, или их «суперпозиция», также возможна. В сущности, просто необходимо, чтобы она, эта суперпозиция, существовала. Однако это соответствует тому, что фотон – один фотон! – одновременно пребывает по обе стороны окна. Фотон одновременно и проходит сквозь стекло, и отражается. Но ведь это невозможно?!
Вернемся к эксперименту Юнга с двумя прорезями. Вспомним: чтобы на экране получился интерференционный рисунок, то, что вылетает из одной прорези, должно смешаться с тем, что вылетает из второй прорези. Можно посмотреть на это явление с точки зрения волн. В этом случае квантовые волны, ассоциируемые с каждым фотоном, концентрическими кругами расходятся из прорезей в непрозрачном экране. Но можно посмотреть на то же самое с точки зрения частиц. В этом случае каждый фотон, «упершись» в непрозрачный экран, оказывается в двух разных местах в одно и то же время. Это дает ему возможность пройти сквозь две прорези одновременно и смешаться с самим собой.
Способность фотона совершать две вещи за один присест – прямой результат того обстоятельства, что если возможны две волны, то и комбинация этих двух волн также возможна. Но природа не остановилась только лишь на двух волнах. Если возможно любое количество волн – три, 99 или 6 миллионов, – то возможна и комбинация всех этих волн. Фотон может делать одновременно не только две вещи – он способен делать одновременно сколь угодно много вещей.
Оказывается, есть уравнение – если хотите, рецепт, – которое точно предсказывает, каким именно образом квантовые волны, соответствующие фотону или чему бы то ни было еще, будут распространяться в пространстве. Это уравнение вывел австрийский физик Эрвин Шрёдингер. Его уравнение дает ответ на загадку квантового мира, а загадка эта вот какая: если Вселенная фундаментально непредсказуема и отдана на милость игральных костей, то почему же тогда окружающий мир настолько по большому счету предсказуем? Как получается, что мы почти с полной уверенностью можем предсказать: если человек попадет под дождь, то он промокнет; если солнце зашло вечером, то утром оно взойдет?
Уравнение Шрёдингера показывает: то, что природа забирает одной рукой, другой рукой она с неохотой возвращает обратно. Да, Вселенная фундаментально непредсказуема. Однако – вот он, ключик! – сама непредсказуемость предсказуема.Мы не можем знать наверняка, что будет делать фотон или какая-нибудь другая микроскопическая частица. Но с помощью уравнения Шрёдингера мы можем узнать вероятность того, что он будет делать это, или будет делать то, или поступит третьим образом, и так далее. А этого, оказывается, достаточно, чтобы гарантировать: мы живем по большому счету в предсказуемом мире.
Более того. Квантовая теория – самая успешная из всех когда-либо существовавших физических теорий. Ее предсказания соответствуют тому, что мы видим в экспериментах, с невероятной точностью – эта точность выражается числами просто с непотребным количеством знаков после запятой. Квантовая теория в буквальном смысле «сделала» современный мир: она дала нам не только лазеры, компьютеры и айподы, но также понимание того, почему солнце светит и почему земля под нашими ногами твердая. Ну не парадоксальна ли эта поразительно успешная теория? С одной стороны, она служит нам замечательным пособием по конструированию вещей и пониманию нашего мира, а с другой – открывает окно в мир «Алисы в Стране чудес», который куда более странен, чем все то, что род человеческий наизобретал за свою историю.
Мгновенное воздействие
Итак, фотон делает какие-то вещи без всякой на то причины или может находиться в двух местах одновременно. Если вы думаете, что все это очень плохо, то вы ошибаетесь – дальше будет еще хуже. И вот здесь на сцене снова появляются Эйнштейн, Розен и Подольский. Они ясно обозначили: то, что вытекало из квантовой теории, было, по их мнению, настолько нелепо, что все здравомыслящие люди просто обязаны выбросить эту теорию на свалку. Вспомним о корпускулярной природе световой волны, подразумевающей абсолютную непредсказуемость, и о волновой природе фотонов, которая дает им возможность оказываться в двух местах одновременно. А теперь представим, что эти две природы соединились. Как обнаружила группа Эйнштейна, результатом этого соединения станет новое, еще более диковинное, еще более «потустороннее» явление: мгновенная связь между разными точками пространства, даже если эти точки расположены в противоположных концах Вселенной.
На самом деле для того, чтобы такой фокус получился, требуется еще один, третий ингредиент. Но этот ингредиент настолько фундаментален, что он превосходит квантовую теорию. Речь идет о законе сохранения. Физики открыли несколько таких законов. Например, есть закон сохранения энергии. Он гласит, что энергия никоим манером не может быть создана или уничтожена, она может лишь переходить из одной формы в другую. Например, в лампе накаливания электрическая энергия превращается в энергию света и тепловую энергию. В наших мышечных тканях химическая энергия, по большому счету извлекаемая из пищи, преобразуется в механическую энергию движения мускулов.
В 1918 году одна из величайших невоспетых героинь науки, немецкий математик Эмми Нётер (1882–1935) сделала удивительное открытие в области физических законов сохранения. Она выявила, что эти законы всего лишь следствие глубинных «симметрий» природы – вещей, которые остаются одними и теми же, как и с какой стороны мы их ни разглядывали бы. Например, закон сохранения энергии вытекает из симметрии, именуемой «трансляция времени». Пояснить ее довольно просто. Допустим, мы наметили провести некий эксперимент. Так вот, мы можем осуществить его прямо сейчас, а можем «транслировать» (перенести) по оси времени, скажем, на неделю или год вперед – в любом случае, при прочих равных условиях, мы получим один и тот же результат. Еще одна глубинная симметрия в природе – это «вращательная симметрия». Предположим, проводя эксперимент, мы выстраиваем наше оборудование в направлении север – юг и получаем некий результат. Если теперь мы повернем оборудование и расположим его, скажем, по линии восток – запад, то результат будет тот же. Закон, который вытекает из этой невинной симметрии, – сохранение углового момента (это величина, характеризующая количество вращательного движения). Земля, вращающаяся на своей оси, обладает очень большим угловым моментом, поэтому она, судя по всему, будет вращаться еще очень и очень долго.
Оказывается, микроскопические частицы, такие, как фотон, обладают квантовым свойством, именуемым «спин» («спин» в переводе с английского – «верчение, кружение»). Подобно неодолимой случайности, царящей в квантовом мире, это «верчение» также не имеет никаких аналогов в нашей повседневной жизни. Насколько нам известно, фотоны, летя сквозь пространство, не вертятся, подобно Земле, вокруг своей оси. Спин фотона – вещь сугубо «внутренняя». Тем не менее фотон ведет себятак, будто и впрямь крутится. Точнее говоря, у него есть две возможности: фотон может вести себя так, как если бы он ввинчивался в пространство по часовой стрелкеотносительно направления своего движения, причем с определенной скоростью вращения, или же он может вести себя так, словно бы ввинчивался в пространство против часовой стрелки,с той же скоростью вращения.
Самое важное здесь то, что квантовый спин подчиняется закону сохранения углового момента. И закон этот, применительно к фотонам, гласит, что если два фотона созданы вместе, то их суммарный спин никогда не изменится. То есть один всегда будет вращаться по часовой стрелке, другой – против. Их спины гасят друг друга. Говоря на языке физиков, суммарный спин двух означенных фотонов равен нулю. В этом случае закон сохранения углового момента требует, чтобы суммарный спин оставался нулевым всегда или пока какой-нибудь процесс не разрушит сами фотоны.
Пока ничего особенного и тем более противоречивого здесь нет.
Однако рассмотрим реальный процесс, при котором создаются два фотона, вертящихся в противоположных направлениях. Электрон – крохотная частица, вращающаяся внутри атома, – имеет своего близнеца – «античастицу», называемую позитроном. Для всех частиц и их близнецов из мира «антивещества» характерно то, что при встрече они взаимоуничтожаются, или «аннигилируют». Теперь следует понять, что электрон и позитрон тоже обладают «внутренним» спином, как и фотоны. Величина этого спина иная, чем у спина фотонов, но в данном случае это не важно. Важно то, что непосредственно перед аннигиляцией электрон и позитрон вращаются в противоположных направлениях и, таким образом, их спины гасят друг друга. Отсюда непременно вытекает, что у двух фотонов, рожденных при аннигиляции (да-да, аннигиляция порождает фотоны!), тоже будет нулевой суммарный спин. Один фотон должен вращаться по часовой стрелке, а другой – против часовой стрелки.
