Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

Эти гипотезы определяют боровскую модель атома, столетие которой отмечалось в 2013 году. С этими допущениями (нелепыми, но простыми) Бору удается вычислить спектры всех атомов и даже точно предсказать спектры, которые еще не наблюдались[70]. Экспериментальный успех этой простой модели был потрясающим.

Ясно, что за этими предположениями должна стоять некая истина, даже если они вступают в противоречие со всеми современными представлениями о материи и динамике. Но почему допустимы только некоторые орбиты? И что подразумевается, когда говорят, что электрон совершает скачок?

В институте Бора в Копенгагене собираются самые блестящие молодые умы столетия, чтобы разобраться в этих непонятных и беспорядочных повадках атомного мира и построить согласованную теорию. Но исследования идут очень медленно и тяжело, пока молодой немецкий физик не находит ключ к тайнам квантового мира.

Вернеру Гейзенбергу было 25 лет, когда он записал уравнения квантовой механики, – столько же, сколько Эйнштейну, когда он опубликовал три свои знаменитые статьи. Гейзенбергу удалось достичь успеха, опираясь на совершенно головокружительные идеи.

Догадка пришла к нему однажды ночью в парке, возле Копенгагенского института физики. Молодой Вернер задумчиво прогуливался по парку. Там было очень темно – ведь это был 1925 год. Лишь редкие уличные фонари создавали небольшие островки тусклого света посреди ночного мрака. Эти пятна света разделялись большими участками темноты. Внезапно Гейзенберг увидел прохожего. На самом деле он не видел, как тот подошел: он заметил его, когда тот оказался под фонарем, а затем вновь исчез в темноте, чтобы появиться под следующим фонарем и вновь исчезнуть. И так далее – от одного пятна света к следующему, пока он окончательно не растворился в ночи. Гейзенберг подумал, что в действительности этот человек не исчезал и не появлялся, ведь очевидно, что мысленно легко реконструировать путь прохожего от одного фонаря к другому. В конце концов, человек – это довольно солидный объект, крупный и тяжелый, а крупные и тяжелые объекты просто так не появляются и не исчезают.

Рис. 4.3. Вернер Гейзенберг

Вот оно что! Эти объекты – солидные, крупные и тяжелые – не исчезают и не появляются… Но что мы знаем об электронах? Это было подобно вспышке в мозгу. Почему маленькие объекты, такие как электроны, должны вести себя так же? Что, если в действительности электроны могут исчезать и вновь появляться? Что, если в этом состоит загадка квантовых скачков, которые, похоже, предопределяют строение атомных спектров? Что, если между одним взаимодействием с чем-то и другим взаимодействием электрон в буквальном смысле находится нигде?

Не может ли электрон оказаться чем-то таким, что проявляется лишь во время взаимодействия, когда он сталкивается с другим объектом, и что не имеет точного положения в интервале между двумя взаимодействиями? Что, если свойство всегда иметь определенное положение приобретается лишь вещами достаточно солидными – крупными и тяжелыми, как человек, который недавно прошел мимо подобно призраку в темноте, а затем растворился в ночи?..

Пожалуй, только в самом начале своей научной карьеры можно принимать всерьез столь бредовые предположения. Вам должно быть немногим за двадцать, чтобы верить в то, что они могут превратиться в новую всеобъемлющую теорию. И возможно, вам нужно быть таким молодым, чтобы первым и лучше всех остальных понять глубинную структуру природы. Эйнштейн в том же возрасте понял, что время не для всех течет одинаково, и с Гейзенбергом в ту ночь в Копенгагене случилось нечто подобное. Вероятно, после тридцати настолько доверять своей интуиции уже не стоит…

Гейзенберг возвращается домой в невероятном эмоциональном возбуждении и погружается в вычисления. Спустя некоторое время он выныривает с новой, приводящий в замешательство теорией – фундаментальным описанием движения частиц, в котором они характеризуются не своим положением в каждый момент времени, но лишь положениями в определенные мгновения, когда они взаимодействуют с чем-то другим.

Это второй краеугольный камень квантовой механики и самый сложный для понимания – реляционный аспект вещей. Электроны существуют не всегда. Они существуют, лишь когда взаимодействуют. Они материализуются в том месте, где сталкиваются с чем-то другим. Квантовые скачки с одной орбиты на другую – это их способ реального существования: электрон – это совокупность скачков от одного взаимодействия до другого. Когда ничто его не возмущает, электрон не находится ни в каком определенном месте. Вместо того чтобы записывать положение и скорость электрона, Гейзенберг записывает таблицы из чисел (матрицы). Он умножает и делит таблицы чисел, представляющие возможные взаимодействия электрона. И словно на волшебных счетах мага, результат получается в точности соответствующим наблюдениям. Это первые фундаментальные уравнения квантовой механики. С того момента эти уравнения будут только работать, работать и работать. По сей день поразительным образом они ни разу не дали сбоя.

И наконец, еще один двадцатипятилетний исследователь, который подхватил работу, начатую Гейзенбергом, принял из его рук новую теорию и сконструировал для нее целостный формальный и математический каркас – англичанин Поль Адриен Морис Дирак, которого многие считают величайшим после Эйнштейна физиком XX столетия.

Несмотря на свою роль в науке, Дирак гораздо менее известен, чем Эйнштейн. Это отчасти связано с высочайшей абстрактностью его науки, отчасти с его странным характером. Незаметный в компании, крайне замкнутый, неспособный выражать эмоции, часто не узнающий в лицо знакомых, не умеющий даже поддержать обычный разговор или, как могло показаться, не понимающий простых вопросов, он фактически выглядел аутистом, и возможно, действительно страдал подобного рода расстройством.

Во время одной из его лекций коллега сказал ему: «Я не понимаю этой формулы». Сделав короткую паузу, Дирак продолжил, никак не отреагировав. Модератор прервал его, спросив, может ли он ответить на вопрос. Дирак, искренне удивившись, возразил: «Вопрос? Какой вопрос? Мой коллега сделал утверждение». Таков был характерный для него крайний педантизм. Это не было высокомерием: человек, способный открывать ускользающие от всех остальных секреты природы, может не улавливать неявные смыслы языковых конструкций, воспринимая лишь их буквальный смысл[71]. И все же в его руках квантовая механика превратилась из запутанных догадок, полузаконченных вычислений, туманных метафизических дискуссий и хорошо работающих, но необъяснимых уравнений в прекрасное архитектурное сооружение – воздушное, простое и невероятно красивое. Красивые, но высочайшего стратосферного уровня абстракции.