Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Бор, со своей стороны, считал, что любые попытки представить электрон или любой другой квантовый объект в качестве частицы или волны были не так важны, как экспериментально подтверждаемые данные, например энергия атомных орбит и частота и интенсивность излучения, испускаемого атомами. В 1925 году Вернер Гейзенберг, а чуть позже – Макс Борн и Паскуаль Йордан предложили описание поведения атомов, строго соответствующее боровской философии.

Их теория, известная как матричная механика, оттесняла в сторону классические понятия, такие как детерминированное поведение частиц и волн, и фокусировалась на энергии между орбитами и излучении, поглощаемом и испускаемом электронами во время переходов. Матричная механика описывала необычный мир, в котором объекты, не имеющие строгой физической формы, осциллировали между различными состояниями с определенными вероятностями. Частота колебаний определялась разностью энергий между орбитами. Для того чтобы получить этот результат, Гейзенберг создал образ электрона как объекта, «размазанного» в пространстве и, соответственно, не имеющего ни конкретного местоположения, ни скорости (механического момента). Расчеты были сложными, но их результаты подтверждались экспериментально. Странная природа квантового мира потребовала от физиков совершенно нового способа описания физической реальности. В самом сердце материи было спрятано что-то нематериальное, по крайней мере, не являющееся таковым в общепринятом смысле. Атомизм прошел большой путь от Левкиппа, Демокрита, Бойля и Ньютона. Для того чтобы понять самую суть реальности, Природу нужно было открыть заново.

Вот почему, когда Эрвин Шрёдингер опубликовал собственную версию квантовой механики в 1926 году, научное сообщество восприняло ее как огромное достижение. В отличие от абстрактной матричной механики Гейзенберга, Борна и Йордана теория Шрёдингера строилась на волновом уравнении – гораздо более известном и легче трактуемом подходе, соответствующем философии Эйнштейна – де Бройля о дуалистичных частицах и волнах как основе квантового мира. Появилась надежда, что квантовая механика все-таки является детерминистской, то есть может быть сформулирована таким образом, чтобы будущие события напрямую вытекали из прошлых, как в ньютоновской механике, без участия вероятностей. Иными словами, если квантовый мир детерминирован, то, зная положение и скорость частицы в определенный момент времени, а также будучи осведомленными о том, какие силы на нее действуют, мы можем с уверенностью предсказать ее будущее. Восторг научного сообщества еще больше возрос, когда в своей четвертой и последней блестящей работе Шрёдингер доказал равенство своего подхода и теории Гейзенберга, продемонстрировав, что они просто описывали одно и то же явление с двух разных точек зрения. Волновое уравнение Шрёдингера открыло ученым дверь в мир квантовой механики, к физике атомов и молекул. Сегодня оно лежит в основе каждого курса по квантовой механике, в каком бы университете или стране его ни читали.

Энтузиазм, с которым было принято волновое уравнение Шрёдингера, объяснялся надеждой на то, что Бор и Гейзенберг были не правы и что странная природа квантовой физики являлась всего лишь заблуждением, проистекающим из ограниченности наших представлений о Природе. Эйнштейн, Планк, Шрёдингер и де Бройль верили, что за зыбким квантовым миром вероятностей и нестабильности стоит упорядоченная и полностью детерминированная реальность. Вот почему в письме Максу Борну от 4 декабря 1926 года Эйнштейн написал свои знаменитые строки: «Квантовая механика достойна всяческого уважения. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не окончательное решение. Теория дает много, но не приближает нас к раскрытию тайн Старого Господина. В любом случае, я уверен, что Он не играет в кости».[121] Вот почему на пятой Сольвеевской конференции в октябре 1927 года Бор посоветовал Эйнштейну: «Прекратите указывать Богу, что делать».

Но надежды Эйнштейна и других так называемых научных реалистов не оправдались. В 1927 году Гейзенберг доказал, что неопределенность является основой квантовой физики, в частности, в том, что касается позиции объекта и его механического момента (или скорости, по крайней мере, для движения на скоростях меньше скорости света). Даже лучшие инструменты не могли определить положение и скорость частицы с достаточно высокой точностью. Иными словами, мы не можем однозначно сказать, где частица находится и с какой скоростью движется, а ведь именно эти данные являются условиями для детерминистического определения ее поведения в будущем. Для света с его корпускулярно-волновым дуализмом это был вполне ожидаемый результат. Если нечто не является ни волной, ни частицей, но чем-то промежуточным (или совершенно иным), его положение и скорость выявить трудно. И чем меньше объект, тем с большими затруднениями мы сталкиваемся, что соответствует понятию длины волны де Бройля. Мы можем с достаточной точностью установить, что бейсбольный мяч имеет определенное положение в пространстве и скорость, но проделать то же самое с электронами или другими мелкими частицами невозможно.

Возможно, самым загадочным аспектом теории Гейзенберга является тот факт, что неопределенность, присущая квантовой физике, не является технологической проблемой, возникающей из-за ограниченной точности измерительных приборов. Квантовая неопределенность – это фундаментальное выражение того, как природные объекты взаимодействуют на малых дистанциях. Это характеристика мира, отличного от нашего. Мы не можем устранить его с помощью более совершенных технологий. Наоборот, так как измерения означают вмешательство, то чем больше мы стараемся, тем сильнее влияем на то, что пытаемся измерить, и тем быстрее оно от нас ускользает. Квантовый мир находится в постоянном движении, как школьная комната, полная первоклашек. Как бы мы ни старались, мы не сможем заставить его остановиться. Как писал австрийский физик Антон Цайлингер в своей книге Dance of the Photons, «многие века мы пытались проникнуть все глубже и глубже в поисках причин и объяснений, и внезапно, когда мы зашли слишком далеко, до поведения отдельных частиц и квантов, мы поняли, что поиск причин завершен. Причин не существует. Мне кажется, что эта фундаментальная недетерминированность еще не до конца осознана человечеством».[122]

Эта сказка поможет нам понять, как акт наблюдения влияет на его объект. Жил-был однажды отважный антрополог, который провел много лет в поисках затерянного племени в дебрях Амазонки. Об этом племени он узнал из случайного упоминания в письме малоизвестного португальского исследователя, написанном несколько столетий назад. Точное местонахождение племени в письме не указывалось, а сам исследователь пропал без следа. Коллеги потешались над нашим ученым, но отважный антрополог (допустим, его звали Вернером) не оставлял своих поисков. Он был уверен, что в джунглях Амазонки должны были проживать неизвестные племена – если даже не те, что упоминались в письме, так другие. «Если не искать, никогда не найдешь», – говорил Вернер своим сомневающимся коллегам.