Текст книги "Высший замысел"

Автор книги: Стивен Уильям Хокинг

Соавторы: Леонард Млодинов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 10 страниц) [доступный отрывок для чтения: 4 страниц]

Кварки. Концепция кварков – крайне важный элемент в наших теориях фундаментальной физики, несмотря на то что наблюдать отдельные кварки невозможно.

Моделезависимый реализм может дать основу для обсуждения вопросов, подобных вот такому: что происходило до создания мира, если он был создан конечное время назад? Христианский философ Августин Блаженный (354–430) считал, что ответ не в том, что Бог уготовил ад для людей, задающих подобные вопросы, а в том, что время – это свойство созданного Богом мира и его не существовало до сотворения мира, которое, по мнению философа, произошло не так уж давно. Это одна из возможных моделей, полюбившаяся тем, кто утверждает, будто расчет времени, данный в Книге Бытия, верен буквально, несмотря на то что в мире встречаются окаменелости и другие свидетельства, доказывающие, что мир намного старше. (Они что, были подброшены, чтобы дурачить нас?) Кто-то может придерживаться другой модели, согласно которой время длится уже 13,7 миллиарда лет, считая от Большого взрыва. Эта модель, объясняющая большинство наших нынешних наблюдений, включая исторические и геологические свидетельства, является лучшим из имеющихся представлений о прошлом. Она может объяснить и окаменелости, и данные радиоуглеродного анализа, и то, что до нас доходит свет от галактик, расположенных в миллионах световых лет от нас. Поэтому вторая модель – теория Большого взрыва – более приемлема для нас, чем первая. И все же ни одну из них нельзя считать более реальной.

Некоторые признают модель мира, в которой время существовало и до Большого взрыва. Пока неясно, насколько она лучше для объяснения нынешних наблюдений, поскольку представляется, что при Большом взрыве законы развития Вселенной могли кардинально измениться. Если это произошло, то нет смысла создавать модель, включающую в себя время до Большого взрыва, поскольку все, что существовало ранее, не имеет наблюдаемых последствий в настоящем, и поэтому мы можем твердо придерживаться идеи, рассматривающей Большой взрыв как акт творения мира.

Любая модель хороша, если она:

1) простая (или «изящная»);

2) содержит мало произвольных или уточняющих элементов;

3) согласуется со всеми существующими наблюдениями и объясняет их;

4) дает подробные предсказания результатов будущих наблюдений, которые могут опровергнуть эту модель или доказать ее ложность, если предсказания, сделанные по этой модели, не подтверждаются.

Например, теория Аристотеля о том, что мир состоит из четырех элементов – земли, воздуха, огня и воды – и что объекты действуют так, чтобы выполнить свое предназначение, была изящна и не содержала уточняющих элементов. Но во многих случаях она не могла дать четких предсказаний, а если и давала, то эти предсказания не согласовывались с наблюдениями. Одно из таких предсказаний гласило, что более тяжелые предметы должны падать быстрее, поскольку их предназначение – падать. И похоже, никто до Галилея не счел нужным проверить это. Известна история о том, как он проверял это, бросая предметы различной массы с «падающей» Пизанской башни. Рассказ, скорее всего, недостоверный, а вот точно известно, что Галилей скатывал разные грузы по наклонной плоскости и заметил, что вопреки предсказанию Аристотеля они движутся с одинаковым ускорением.

Приведенные выше критерии, очевидно, субъективны. Например, изящность не так легко измерить, но она высоко ценится среди ученых, поскольку законы природы предполагают экономное сжатие множества частных случаев в одну простую формулу. Изящество относится к форме теории, но оно тесно связано с отсутствием в ней уточняемых элементов, поскольку теория, напичканная выдуманными для каждого конкретного случая факторами, не очень изящна. Перефразируя Эйнштейна, можно сказать: теория должна быть простой настолько, насколько это возможно, но не проще. Птолемей добавил к круговым орбитам небесных тел эпициклы, чтобы его модель точно описывала их движение. Для еще большей точности можно было бы добавить эпициклы к эпициклам или даже еще один ряд эпициклов. Хотя дополнительное усложнение может сделать модель более точной, ученые рассматривают модель, которая искажена, чтобы соответствовать определенному набору наблюдений, как неудовлетворительную, более похожую на каталог данных, чем на теорию, которая может воплотить какой-нибудь полезный принцип.

В главе 5 мы увидим, что многие не считают изящной «стандартную модель», описывающую взаимодействие природных элементарных частиц. Эта модель гораздо удачнее, чем Птолемеевы эпициклы. Она предсказала существование нескольких новых частиц, прежде чем они были замечены, и с большой точностью описала будущие результаты многих экспериментов, проводившихся в течение нескольких десятилетий. Но она содержит десятки уточняющих параметров, значения которых должны устанавливаться, чтобы соответствовать наблюдениям, вместо того чтобы эти значения были определены самой теорией.

Что касается четвертого признака «хорошей» модели (способность предсказывать результаты будущих наблюдений), то, с одной стороны, ученых всегда впечатляет, когда новые ошеломительные предсказания оказываются точными, но, с другой стороны, когда модель оказывается неприемлемой, их обычная реакция – заявить, что эксперимент не удался. И даже если это не так, люди все равно зачастую не отказываются от модели, а пытаются сохранить ее путем модификаций. Хотя физики поистине упрямы в своих попытках спасти теорию, которой они восхищаются, попытки преобразовать ее доходят порой до того, что изменения становятся надуманными или громоздкими, а значит, лишенными изящества.

Если изменения, требующиеся для подгонки теории к новым наблюдениям, становятся чересчур изощренными, это сигнал о необходимости новой модели. Примером старой модели, не устоявшей под давлением новых наблюдений, служит идея о статичной Вселенной. В 1920-х годах большинство физиков полагали, что Вселенная статична, то есть не изменяется в размерах. Затем, в 1929 году, американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) опубликовал свои наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется. Но Хаббл не наблюдал это расширение непосредственно. Он наблюдал свет, испускаемый галактиками. Этот свет обладает специфической характеристикой (спектром), связанной с составом каждой галактики. Если галактика движется относительно нас, этот спектр изменяется на известную величину. Поэтому, анализируя спектры удаленных галактик, Хаббл смог определить скорости их движения. Он полагал, что удаляющихся галактик будет обнаружено столько же, сколько и приближающихся. Но вместо этого оказалось, что почти все галактики удаляются от нас и чем дальше они находятся, тем быстрее движутся. Хаббл пришел к выводу, что Вселенная расширяется, но другие ученые, стараясь придерживаться прежней модели, пытались объяснить его наблюдения в контексте статичной Вселенной. Например, физик из Калифорнийского технологического института Фриц Цвикки (1898–1974) предположил, что по некой пока неизвестной причине свет, проходя огромные расстояния, может постепенно терять свою энергию. Это снижение энергии соответствовало бы изменению его спектра, что, по мнению Цвикки, могло повлиять на наблюдения Хаббла. Но и по прошествии десятилетий после исследований Хаббла многие ученые продолжали придерживаться теории о статичном состоянии Вселенной. Однако наиболее естественной моделью была та, которую предложил Хаббл, – модель расширяющейся Вселенной, она и стала общепринятой.

В поисках законов, которые управляют Вселенной, ученые рассмотрели ряд теорий, или моделей, таких как теория четырех элементов, модель Птолемея, теория флогистона, теория Большого взрыва и т. д. С каждой теорией, или моделью, наши представления о реальности и фундаментальных компонентах Вселенной менялись. Возьмем, к примеру, теорию света. Ньютон полагал, что свет состоит из мелких частиц, или корпускул. Это объясняло, почему свет распространяется прямолинейно, и этим же Ньютон воспользовался для объяснения того, почему свет, переходя из одной среды в другую, например из воздуха в стекло или же из воздуха в воду, изгибается, или преломляется.

Однако корпускулярная теория не могла объяснить явление, которое было обнаружено самим же Ньютоном и называется сегодня кольцами Ньютона. Поместите линзу на плоскую отражающую пластину и осветите ее монохромным светом, например от натриевой лампы. Глядя сверху вниз, вы увидите чередование светлых и темных колец с центром в точке соприкосновения линзы с поверхностью пластины. Этому явлению трудно дать объяснение в рамках корпускулярной теории света, но его можно объяснить с помощью волновой теории.

Рефракция. Ньютонова модель света могла объяснить, почему свет преломляется, переходя из одной среды в другую, но не давала объяснения явлению, которое теперь мы называем кольцами Ньютона.

Согласно волновой теории света, светлые и темные кольца вызваны явлением, которое называется интерференцией. Световые волны, так же как волны на воде, состоят из чередующихся гребней и впадин. Если при столкновении волн эти гребни и впадины совпадают, то они усиливают друг друга, образуя более крупную волну. Это называется конструктивной интерференцией. В таком случае говорят, что волны находятся в фазе. В противоположном случае, когда при встрече волн гребень одной волны совпадает со впадиной другой, волны гасят друг друга, и тогда говорят, что волны находятся в противофазе. Такое явление называется деструктивной интерференцией.

В кольцах Ньютона яркие кольца располагаются на таких расстояниях от центра, где промежуток между линзой и находящейся под ней отражающей поверхностью равен целому числу (1, 2, 3…) длин волн. Это означает, что волна, отраженная от линзы, совпадет с волной, отраженной от пластины, создавая конструктивную интерференцию. Темные кольца, в свою очередь, располагаются на таких расстояниях от центра, где промежуток между двумя отраженными волнами равен половинам целых длин волн (1/2, 3/2, 5/2…), что создает деструктивную интерференцию: волна, отраженная от линзы, гасит волну, отраженную от пластины.

В XIX веке это было воспринято как подтверждение волновой теории света и как свидетельство того, что корпускулярная теория неверна. Однако в начале XX века Эйнштейн показал, что фотоэлектрический эффект (теперь используемый в телевидении и цифровых фотоаппаратах) может быть объяснен тем, что частица, или квант света, ударяет по атому и выбивает из него электрон. Таким образом, свет ведет себя и как частица, и как волна.

Концепция волн, вероятно, пришла человеку в голову потому, что люди бросают в океан или в лужу камешки и наблюдают за тем, что происходит на поверхности воды. Действительно, если вы когда-нибудь бросали в лужу сразу два камешка, то, вероятно, видели интерференцию в действии, как на иллюстрации ниже. Подобные явления наблюдались и в других жидкостях, за исключением, пожалуй, вина, если выпито его слишком много. Идея о частицах была знакома по камням, гальке и песку. Но вот двойственность (волна-частица) – мысль о том, что объект может быть описан и как частица, и как волна, – чужда нашему повседневному опыту, подобно мысли о том, что можно выпить кусок камня.

Интерференция. Волны при встрече могут усилить или ослабить друг друга.

Подобные двойственности – ситуации, когда две разные теории точно описывают одно и то же явление, – вполне укладываются в рамки моделезависимого реализма. Каждая теория может описывать и объяснять определенные свойства, и ни об одной теории нельзя сказать, что она лучше или реальнее другой. Кажется, законы, управляющие Вселенной, похожи на это. Пожалуй, нет единой математической модели, или теории, которая могла бы описать Вселенную во всех ее проявлениях. Напротив, как уже упоминалось в главе 1, похоже, существует совокупность теорий, объединенных в так называемую М-теорию. Каждая теория этой системы пригодна для описания явлений в определенных границах. Там, где их границы перекрываются, разные теории этой системы согласуются друг с другом, так что о всех них можно сказать, что это части одной и той же теории. Но ни одна из теорий этой системы не может описать Вселенную во всех ее аспектах – все фундаментальные взаимодействия (силы) в природе, частицы, на которые воздействуют эти силы, и пространственно-временные рамки, в которых все это теряет смысл. Хотя такая ситуация не исполняет мечту традиционных физиков о единой объединенной теории, она приемлема в рамках моделезависимого реализма.

Интерференция в луже. Явление интерференции можно повседневно наблюдать в любых водоемах – от лужи до океана.

Мы еще обсудим двойственность и М-теорию в главе 5, но прежде вернемся к фундаментальному принципу, на котором базируется современный взгляд на природу квантовой теории, и, в частности, к тому подходу к квантовой теории, который называется «альтернативные истории». С этой точки зрения Вселенная имеет не единственное существование, или историю, а все возможные версии Вселенной существуют одновременно в так называемом квантовом наложении, квантовой суперпозиции. Это может показаться столь же странным, как пример со столом, который исчезает, когда мы выходим из комнаты, но в отношении этого случая следует сказать, что квантовая теория выдержала все экспериментальные проверки, которым когда-либо подвергалась.

4 Альтернативные истории

В 1999 году группа австрийских физиков провела эксперимент по обстрелу некой преграды серией молекул, структура которых напоминает рисунок на поверхности футбольного мяча. Эти молекулы, из шестидесяти атомов углерода каждая, иногда называют бакиболами или фуллеренами – в честь американского архитектора Бакминстера Фуллера (1895–1983), который строил здания подобной конструкции. Так называемые геодезические купола Фуллера представляют собой, пожалуй, крупнейшие объекты со структурой футбольного мяча. Бакиболы же – наименьшие из таких объектов. В преграде, на которую ученые их направили, имелось две щели, сквозь которые бакиболы могли пролететь. Позади преграды физики расположили своего рода экран для обнаружения и подсчета проскочивших молекул.

Бакиболы. Бакиболы похожи на микроскопические футбольные мячи, состоящие из атомов углерода.

Если мы поставим аналогичный эксперимент с настоящими футбольными мячами, нам понадобится игрок – не особенно меткий, но способный весьма продолжительное время бить по возникающим перед ним мячам с заданной нами скоростью. Мы расположим этого игрока перед преградой – стенкой, в которой имеется два вертикальных проема. Позади стенки (параллельно ей) натянем очень длинную сетку. Большинство посланных игроком мячей попадет в преграду и отскочит обратно, но некоторые пролетят сквозь тот или другой проем и попадут в сетку. Если проемы будут лишь чуточку больше мяча, то по другую сторону стенки-преграды возникнут два строго параллельных потока. Если же проемы немного расширить, каждый из потоков будет слегка расходиться (см. ил., с. 72).

Футбол через стенку-преграду с двумя проемами. Когда футболист посылает мячи через проемы в стенке, мы можем наблюдать обычную картину.

Если мы закроем один из проемов, то соответствующий ему поток мячей не сможет пролетать через преграду, однако это никак не повлияет на другой поток. Если мы снова откроем тот проем, который был закрыт, это лишь увеличит число мячей, приземлившихся в любой избранной точке по другую сторону стенки, поскольку это будут все мячи, прошедшие через остававшийся открытым проем, плюс другие мячи, прошедшие через вновь открытый проем. Иными словами, если одновременно открыть два проема, мы увидим сумму тех мячей, которая появилась бы за преградой в том случае, когда мы открывали бы поочередно каждый из проемов. Такова реальность, к которой мы привыкли в повседневной жизни. Совсем иную картину увидели австрийские исследователи, когда вели обстрел своими молекулами.

В австрийском эксперименте открытие второго проема действительно увеличивало число молекул, попадавших на определенный участок экрана, но при этом уменьшало их число на другом участке (см. ил., с. 73).

Бакибольный футбол через двухщелевую преграду. Когда молекулы-«мячи» пролетают сквозь щели, на экране появляется узор, соответствующий какому-то квантовому закону.

Фактически были точки, куда бакиболы вообще не попадали, когда были открыты обе щели, но они попадали туда, если открытой оставалась лишь одна из щелей. Это должно выглядеть весьма странным. Как может открытие второй щели уменьшить число молекул, попадающих в определенную точку?

Чтобы получить ключ к ответу, изучим всё детально. В этом эксперименте многие из молекулярных «мячей» попали в пятно, центр которого располагался на полпути между теми местами, куда можно было ожидать попадания мячей, пролетевших через ту и другую щели. В места, расположенные чуть дальше от этой центральной точки, попадало очень мало молекул, но еще чуть дальше снова наблюдалось скопление молекул, прошедших через щель. Этот узор не является суммой узоров, полученных, когда каждая щель открывалась отдельно, но он напоминает картину, характерную для интерферирующих волн, показанную на иллюстрации в главе 3. Участки, куда молекулы не попадали, соответствуют областям, в которые волны, исходящие из двух щелей, приходили в противофазе и создавали деструктивную интерференцию; участки же, куда попадало много молекул, соответствовали областям, которых волны достигали в одинаковой фазе и создавали конструктивную интерференцию.

В течение первых двух тысяч лет развития научной мысли основой для теоретических объяснений служили повседневный опыт и интуиция. По мере того как мы развивали технические устройства и расширяли с их помощью диапазон явлений, доступных нашим наблюдениям, мы стали замечать, что поведение природы все меньше и меньше соответствует нашему повседневному опыту и нашей интуиции, о чем, например, свидетельствует эксперимент с бакиболами. Этот эксперимент типичен для явлений, которые не может объяснить классическая наука, но которые описываются квантовой физикой. Ричард Фейнман считал, что эксперимент с использованием преграды с двумя щелями, подобный описанному выше, «заключает в себе всю тайну квантовой механики».

Принципы квантовой физики были разработаны в первые десятилетия XX века, после того как теорию Ньютона сочли недостаточной для описания природы на атомном и субатомном уровнях. Фундаментальные физические теории описывают силы природы и то, как объекты реагируют на них. Классические теории, такие как теория Ньютона, построены на основе повседневного опыта, где материальные объекты существуют индивидуально, могут располагаться в определенных местах, следуют строго определенным траекториям и т. д. Квантовая физика дает основу для понимания того, как природа действует на атомном и субатомном уровнях, но, как мы расскажем более подробно в дальнейшем, она диктует совершенно иную концептуальную схему – такую, в которой положение объекта, его путь и даже его прошлое и будущее точно не определены. Квантовые теории таких сил, как гравитационная или электромагнитная, построены именно на этой основе.

Могут ли теории, построенные на основе, столь чуждой повседневному опыту, объяснить присущие ему явления, которые столь точно были смоделированы классической физикой?

Оказывается, могут, поскольку и мы, и всё, что нас окружает, это составные объекты, то есть структуры, состоящие из невообразимо большого количества атомов, – этих атомов больше, чем звезд в обозримой части Вселенной. И хотя все эти атомы подчиняются принципам квантовой физики, можно продемонстрировать, что их крупные совокупности, слагающие футбольные мячи, морковки, аэробусы и нас самих, конечно же сумеют избежать дифракции при прохождении через проемы. Поэтому, хотя компоненты обычных объектов и подчиняются квантовой физике, законы Ньютона представляют собой эффективную теорию, которая с высокой точностью описывает поведение сложных структур, образующих наш повседневный мир.

Это может показаться странным, но в науке есть много случаев, когда поведение крупного образования выглядит отличающимся от поведения его индивидуальных компонентов. Реакции одного нейрона едва ли такие же, как у человеческого мозга в целом, а знание свойств молекулы воды вряд ли много расскажет вам о поведении озера. В случае квантовой физики ученые и по сей день работают над тем, чтобы подробно выяснить, как законы Ньютона проистекают из квантовой области. Нам известно лишь, что составляющие элементы всех объектов подчиняются законам квантовой физики, а законы Ньютона представляют собой хорошее приближение для того, чтобы описать, как ведут себя макроскопические объекты, состоящие из таких квантовых компонентов.

Именно поэтому прогнозы теории Ньютона совпадают с нашим видением реальности, которое мы все развиваем по мере знакомства с окружающим миром. Но образ действия отдельных атомов и молекул кардинально отличается от того, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни. Квантовая физика представляет собой новую модель реальности, дающую нам иную картину Вселенной. Это картина, в которой многие понятия, основополагающие для нашего интуитивного понимания реальности, больше не имеют значения.

Впервые эксперимент с двухщелевой преградой провели в 1927 году американские физики-экспериментаторы Клинтон Дэвиссон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1971) из компании «Белл Лабз». Они изучали, как пучок электронов – объектов, которые гораздо проще, чем бакиболы, – взаимодействует с кристаллом никеля. То, что материальные частицы, электроны, ведут себя подобно волнам на воде, оказалось поразительным экспериментом, который вдохновил квантовую физику. Поскольку на макроскопическом уровне такое поведение не наблюдалось, ученые долго не могли понять, насколько большим и сложным должно быть нечто, чтобы оно все еще продолжало проявлять подобные волновые свойства. Если бы эффект удалось продемонстрировать, используя людей или гиппопотамов, это вызвало бы настоящую сенсацию, но, как мы уже сказали, чем больше объект, тем, как правило, менее очевидными и менее устойчивыми становятся квантовые эффекты. Поэтому вряд ли какое-нибудь животное в зоопарке сможет пройти, подобно волне, сквозь железные прутья клетки. И все же физики-экспериментаторы стали наблюдать волновые свойства у все более крупных «частиц». Ученые надеются когда-нибудь повторить эксперимент с бакиболами, используя вирус, который не только гораздо больше по размерам, но и рассматривается некоторыми как живое существо.

Есть всего несколько аспектов квантовой физики, необходимых для того, чтобы понять рассуждения, которые мы приведем в последующих главах. Одна из основных особенностей – двойственная природа (дуализм) волны-частицы. То, что материальная частица ведет себя подобно волне, удивило всех. То, что свет ведет себя как волна, уже не удивляет никого. Волноподобное поведение света кажется нам естественным и считается общепринятым фактом на протяжении уже почти двух веков. Если в упомянутом выше эксперименте направить луч света на две щели, то появятся две волны, которые и встретятся на экране. В каких-то точках их гребни или впадины совпадут, образовав яркое пятно, а в других местах гребни одной волны наложатся на впадины другой, поглотив их и образовав темный участок. В начале XIX века английский физик Томас Юнг (1773–1829) провел этот эксперимент (известный теперь как опыт Юнга) и убедил всех, что свет – это волна и он не состоит из частиц, как считал Ньютон.

Хотя некоторые могли сделать вывод, что Ньютон был не прав, говоря, что свет – это не волна, но все же он был прав, говоря, что свет может действовать так, как если бы он состоял из частиц. Сегодня мы называем эти частицы фотонами. Как мы состоим из большого числа атомов, так и свет, который мы видим в повседневной жизни, состоит из великого множества фотонов, – даже одноваттный ночник излучает миллиард миллиардов фотонов в секунду. Одиночные фотоны обычно незаметны, но в лаборатории можно создать весьма слабый луч света, состоящий из потока одиночных фотонов, которые мы сможем обнаруживать индивидуально, точно так же, как мы обнаруживаем одиночные электроны или бакиболы. И мы можем повторить опыт Юнга, используя настолько разреженный луч, что фотоны будут достигать преграды поодиночке, с интервалом в несколько секунд. Если мы сделаем это, а потом сложим все отдельные попадания, зафиксированные на расположенном за преградой экране, то обнаружим, что вместе они создают точно такой же интерференционный узор, какой возник бы в том случае, если бы мы провели опыт Дэвиссона – Джермера, но обстреливали бы экран электронами (или бакиболами) поштучно. Для физиков это было потрясающим открытием: если отдельные частицы интерферируют сами с собой, то волновая природа света является свойством не только луча, или большого скопления фотонов, но и отдельной частицы.

Опыт Юнга. Узор, возникающий в эксперименте с бакиболами, был известен из волновой теории света.

Еще одним из основных принципов квантовой физики является принцип неопределенности, который в 1926 году сформулировал немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976). Принцип неопределенности говорит о том, что существуют пределы наших возможностей одновременного измерения определенных величин, таких как положение и скорость частицы. Например, согласно принципу неопределенности, если вы умножаете неопределенность положения частицы на неопределенность ее импульса (произведения массы на скорость), то результат не может бьггь меньше некой фиксированной величины, которую называют постоянной Планка. Это звучит как сложная скороговорка, но суть ее может быть выражена просто: чем точнее вы измеряете скорость, тем менее точно можете измерить положение, и наоборот. Например, если вы вдвое уменьшаете неопределенность положения, то вам придется вдвое увеличить неопределенность скорости. Также важно отметить, что по сравнению с обычными единицами измерения, такими как метры, килограммы и секунды, постоянная Планка очень мала. Действительно, если выразить ее в этих единицах, то значение составит примерно 6/10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. В результате, если вы засечете местоположение макроскопического объекта, например футбольного мяча массой в треть килограмма, с точностью до одного миллиметра в каждом направлении, мы все еще сможем измерить его скорость с точностью гораздо большей, чем одна миллиардная миллиардной от одной миллиардной километра в час. Это потому, что измеренная в таких единицах масса футбольного мяча равна 1/3, а неопределенность положения 1/1000. Ни того ни другого не достаточно, чтобы привести ко множеству нулей в постоянной Планка, так что эта роль достается неопределенности в скорости. Но в тех же единицах масса электрона составляет 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 001, поэтому с электронами дело обстоит совершенно по-другому. Если мы измеряем положение электрона с точностью, примерно соответствующей размеру атома, то принцип неопределенности устанавливает, что мы не можем узнать скорость электрона более точно, чем примерно плюс-минус 1000 километров в секунду, что уж никак не назовешь очень точным.

«Если это действительно так, то все, что мы принимали за волну, на самом деле было частицей, а все, что мы принимали за частицу, было волной».

Согласно квантовой физике, независимо от того, сколько информации мы получаем или сколь велики наши вычислительные способности, результаты физических процессов не могут быть предсказаны однозначно, потому что они не имеют однозначной определенности.Наоборот, учитывая данное начальное состояние системы, Природа определяет свое будущее состояние посредством процесса, который существенно неоднозначен. Иными словами, Природа не диктует результат какого-либо процесса или эксперимента даже в простейших ситуациях. Скорее, она предоставляет много различных возможностей, каждая из которых может реализоваться с той или иной степенью вероятности. Это, перефразируя Эйнштейна, как если бы Бог бросал игральные кости, прежде чем решить, каким будет результат каждого физического процесса. Такая идея беспокоила Эйнштейна, и даже будучи одним из отцов квантовой физики, он впоследствии начал критиковать этот взгляд.

Может показаться, будто квантовая физика подрывает саму идею о том, что Природа управляется законами, но дело обстоит не так. Просто это ведет нас к принятию новой формы детерминизма: данное состояние системы в некоторый момент времени и законы природы определяют вероятностиразличных вариантов будущего и прошлого, но не определяют будущее и прошлое строго однозначно. Ученые, несмотря на то что кому-то это не по вкусу, должны придерживаться тех теорий, которые согласуются с экспериментом, а не с их собственными предвзятыми понятиями.

Возможность проверки – вот что должна требовать наука от теории. Если бы вероятностная природа предсказаний в квантовой физике означала, что подтвердить предсказания невозможно, то квантовые теории не считались бы правомерными. Но несмотря на вероятностную природу их предсказаний, мы все же можем выполнять проверку квантовых теорий. Например, мы можем повторить эксперимент много раз и подтвердить, что частота разных результатов совпадает с предсказанной вероятностью. Вернемся к опыту с бакиболами. Квантовая физика говорит нам, что никакой объект никогда не располагается в определенной точке, потому что, будь это так, неуверенность в импульсе равнялась бы бесконечности. Фактически, согласно квантовой физике, каждая частица имеет некоторую вероятность быть обнаруженной где угодно во Вселенной. Так что даже если шанс обнаружить данный электрон внутри двухщелевого устройства весьма высок, всегда будет сохраняться шанс, что этот электрон может оказаться на обратной стороне звезды альфа Центавра или внутри запеканки, приготовленной в столовой у вас на работе. В результате, если вы ударите по квантовому бакиболу, отправив его в полет, никакая ловкость и никакие знания не помогут вам заранее сказать, где точно он приземлится. Но если вы повторите этот эксперимент многократно, то полученные вами данные покажут вероятность нахождения «мяча» в разных местах и можно будет утверждать, что результаты проведенных опытов согласуются с предсказаниями теории.

Важно осознавать, что вероятности в квантовой физике не похожи на вероятности в Ньютоновой физике или в повседневной жизни. Мы можем понять это, сравнив узоры, созданные непрерывным потоком бакиболов, летящих к экрану, с узором из ямок, оставленных на мишени для игры в дартс дротиками, которыми игроки целились в «яблочко». Если игроки не перебрали пива, то шансы каждого дротика попасть в центр наибольшие, но они уменьшаются, если игрок отдаляется от мишени. Как и в случае с бакиболами, каждый дротик может попасть куда угодно, и через некоторое время на мишени появится узор из ямок, отображающий эту вероятность. В повседневной жизни про данную ситуацию мы могли бы сказать, что дротик имеет определенную вероятность попасть в разные точки; но если мы скажем так, то, в отличие от случая с бакиболами, лишь потому, что не полностью знаем условия в момент броска. Наше описание можно улучшить, если иметь точные сведения об особенностях того, как игрок бросает дротик: под каким углом, с каким вращением, скоростью и т. д. В принципе тогда мы могли бы с любой необходимой для нас точностью предсказать, куда попадет дротик. Поэтому использование нами вероятностных терминов для описания результатов событий, наблюдаемых в повседневной жизни, отражает не внутреннюю природу процесса, а только недостаток наших знаний о некоторых его аспектах.